ACHIEVEMENTS IN PHYSICAL CHEMISTRY IN THE FIELD OF MICROSCOPY AND VISUALIZATION OF NANOSYSTEMS
The review presents modern views and the history of the development of microscopic studies of nanosystems which heve been started 2014, after the Nobel Prize in Chemistry was awarded to Eric Betzig, William Mörner, and Stefan Gell "for the development of super-resolved fluorescence microsco...
Gespeichert in:
| Datum: | 2023 |
|---|---|
| 1. Verfasser: | |
| Format: | Artikel |
| Sprache: | Englisch |
| Veröffentlicht: |
V.I.Vernadsky Institute of General and Inorganic Chemistry
2023
|
| Online Zugang: | https://ucj.org.ua/index.php/journal/article/view/575 |
| Tags: |
Tag hinzufügen
Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
|
| Назва журналу: | Ukrainian Chemistry Journal |
| Завантажити файл: |  |
Institution
Ukrainian Chemistry Journal| _version_ | 1871465965699465216 |
|---|---|
| author | Ogenko, Volodymyr |
| author_facet | Ogenko, Volodymyr |
| author_institution_txt_mv | [
{
"author": "Volodymyr Ogenko",
"institution": "V.I. Vernadsky Institute of General and Inorganic Chemistry of the National Academy of Sciences of Ukraine"
}
] |
| author_sort | Ogenko, Volodymyr |
| baseUrl_str | https://ucj.org.ua/index.php/journal/oai |
| collection | OJS |
| datestamp_date | 2026-07-22T08:23:52Z |
| description | The review presents modern views and the history of the development of microscopic studies of nanosystems which heve been started 2014, after the Nobel Prize in Chemistry was awarded to Eric Betzig, William Mörner, and Stefan Gell "for the development of super-resolved fluorescence microscopy". Their work ushered in a new era of optical microscopy, enabling the precise examination of individual molecules and molecular clusters by using optical microscopes. By circumventing the diffraction limitations that had constrained traditional optical microscopes, scientists gained access to the nanoscale realm, investigating structures within the 1–100 nanometer range. Special attention is paid to the use of carbon quantum dots and plasmon resonance to enhance fluorescence when obtaining the effect of super-resolution images, which allow the use of optical microscopes in the estimation of the sizes of cluster and single molecules. This breakthrough in removing the diffraction limitation allowed scientists to use the working range of 1–100 nm and obtain 3D images of nanosystems and images of living cells. Particular attention is paid to the achievements and prospects of high-resolution fluorescent nanoscopy SRM, which is successfully developing and studying the nanoworld in the range of 1–100 nm at the level of scanning electron microscopy. In cell biology, nanomedicine, etc. are developing roadmaps for scientific breakthroughs in super-resolution visualization methods for "live" images. Prospects of Immuno-SERS microscopy and medicine of individual diagnosis are considered
Key Findings:
This article highlights the achievements and future prospects of super-resolution fluorescence microscopy SRM.
High-resolution fluorescence microscopy has proven instrumental in advancing our understanding of the living world within the 1–100 nanometer range, which is akin to the capabilities of scanning electron microscopy.
Within the domains of cell biology and nanomedicine, roadmaps for scientific breakthroughs are emerging, fueled by super-resolution imaging techniques, providing "live" insights into cellular processes.
The horizons of Immuno-SERS Microscopy and Personalized Diagnostics Medicine are expanding, promising exciting prospects in the field of medical diagnostics.
|
| doi_str_mv | 10.33609/2708-129X.89.08.2023.63-77 |
| first_indexed | 2025-09-24T17:43:52Z |
| format | Article |
| fulltext |
63
УДК 544 +543.426.1 doi: 10.33609/2708-129X.89.08.2023.63-77
ДОСЯГНЕННЯ ФІЗИЧНОЇ ХІМІЇ В ОБЛАСТІ ФЛУОРЕСЦЕНТНОЇ
МІКРОСКОПІЇ ТА ВІЗУАЛІЗАЦІЇ НАНОСИСТЕМ
В. М. Огенко*
*Інститут загальної та неорганічної хімії імені В. І. Вернадського НАН України,
просп. Акад. Палладіна, 32/34, Київ 03142, Україна
Email: vladimir.ogenko@gmail.com
В огляді наведено сучасні погляди та історію розвитку мікроскопічних досліджень
наносистем. На особливу увагу заслуговує застосування вуглецевих квантових точок
та плазмонного резонансу для підсилення флюоресценції при отриманні ефекту супер-
роздільної здатності зображень, які дозволяють використовувати оптичні мікроскопи
в оцінюванні розмірів кластерних та одиночних молекул. Цей прорив у знятті дифрак-
ційної обмеженості дозволив науковцям використовувати робочий діапазон 1–100 нм
та отримувати 3D-зображення наносистем та зображення живих клітин.
Ключові слова: Флуоресцентна мікроскопія, оптична інтерференційна мікроскопія,
плазмонна мікроскопія, STED-мікроскопія суперроздільної здатності, наносистеми.
ВСТУП. 2014 року було присуджено Но
белівську премію з хімії Еріку Бетциґу, Ві-
льяму Мернеру, Штефану Геллю «За роз-
виток флуоресцентної мікроскопії супер
роздільної здатності». Цей прорив у знятті
дифракційної обмеженості дозволив нау-
ковцям проводити дослідження в діапазо-
ні розмірів 1–100 нм. Стало можливим з
використанням оптичних мікроскопів до-
сліджувати як одиничні фрагменти моле-
кул, так і їхнє 3D-зображення.
Потрібно також відмітити, що перші
роботи було виконано на рівні мистецтва
з відбору яскравих люмінесцентних білків,
лазерів, розроблення спеціальних програм
для оброблення фотографій.
Метою зазначеної роботи є ознайомлен-
ня з прогресом у цьому важливому напрям-
ку досліджень за результатами аналізу ори-
гінальних публікацій. Зокрема, цікаво було
вияснити результати застосування вугле-
цевих квантових точок у флуоресцентній
мікроскопії та плазмонного резонансу на
базі благородних металів для підсилення
флюоресценції.
У цьому огляді розглянуто деякі публі-
кації з фізичної хімії в області мікроскопії
та візуалізації наносистем. Слід зазначити,
що на сьогодні фізична хімія є наукою, що
межує з багатьма напрямками розвитку хі-
мії, фізики, біології, включаючи хімію на-
носистем.
64 ISSN 2708-129X. Укр. хім. журн., 2023
ДОСЯГНЕННЯ ФІЗИЧНОЇ ХІМІЇ В ОБЛАСТІ ФЛУОРЕСЦЕНТНОЇ МІКРОСКОПІЇ ТА ВІЗУАЛІЗАЦІЇ НАНОСИСТЕМФІЗИЧНА ХІМІЯ
Сфера наукових інтересів напрямку
«Фізична хімія»
Як відомо, термін «фізична хімія» впер-
ше зустрічається в преамбулі до лекцій
М. В. Ломоносова (1752 р.) «Курс истин-
ной физической химии», де наведено таке
визначення: «Фізична хімія – це наука, яка
має на підставі положень і дослідів фізич-
них пояснити причину того, що відбуваєть-
ся, через хімічні операції в складних тілах».
Вища атестаційна комісія України По-
становою № 17-09/1 від 29.01.98 затвердила
наступну формулу спеціальності: «Фізична
хімія – це галузь науки, що вивчає хімічні
явища та процеси на основі загальних прин-
ципів фізики з використанням фізичних
експериментальних методів». ВАК визна-
чено також основні напрямки досліджень у
фізичній хімії: теорія хімічної будови, тео-
рія хімічних реакцій, поверхневі явища, фо-
тохімічні процеси, елементарні механізми
динаміки хімічних процесів та вплив фізич-
них факторів, хімія ізотопів та радіохімія,
нові фізико-хімічні методи досліджень.
Із наведеного вище зрозуміло, що фізич-
на хімія охоплює глибокий пласт наукових
досліджень. Щорічна кількість публікацій в
зазначених наукових напрямках безперерв-
но збільшується.
Вже за визначенням не виникає сумнівів,
що успіхи фундаментальних досліджень
у фізичній хімії безпосередньо пов’язані з
досягненнями фізики та хімії. Як правило,
всі епохальні події в науці, починаючи з
1901 року, щорічно, за заповітом Альфре-
да Нобеля відзначали присудженням най-
вищої нагороди – Нобелівської премії за
видатні наукові дослідження, революцій-
ні винаходи та великий вклад у розвиток
культури та суспільства.
Слід відмітити, що присудження Нобе-
лівської премії стимулює інтенсивні дослі-
дження у зазначених напрямках. Як пра-
вило, за цими напрямками проводили нові
пошукові фундаментальні та прикладні
роботи, причому деякі з них сягали масш-
табів нових наукових революцій (графени,
квантові точки, плазмони і т. п.). Ми розді-
ляємо точку зору, зазначену в [1], що «…до-
слідники не встигають читати тисячі оригі-
нальних опублікованих досліджень» і тому
«Оглядові статті мають вирішальне зна-
чення для вчених… бути в курсі наукових
досягнень» для навчальних, спрямовуючих
чи координуючих досліджень, що й спону-
кало до написання цього огляду у вигляді
базової тематичної вибірки.
Деякі науково-природознавчі відкрит-
тя та досягнення
Напередодні 122-ї річниці початку ро-
боти Нобелівського комітету, в знак шани,
наведемо запозичені нами з «Вікіпедії» наз-
ви деяких наукових досліджень та револю-
ційних відкриттів нобелівських лауреатів,
чиї роботи стали науковим фундаментом
та «фондом» подальшого розвитку фізич-
ної хімії в процесах дослідження будови та
фізико-хімічних властивостей, в тому числі
і наносистем.
Нобелівську премію з фізики отри
мали:
1901 р. – Вільгельм Конрад Рентґен – «На
знак визнання надзвичайно важли-
вих заслуг перед наукою, що вияви-
лися у відкритті променів, назва-
них згодом на його честь»;
1903 р. – Антуан Беккерель спільно з П'єром
і Марією Кюрі – «На знак визнання
65https://ucj.org.ua
В. М. Огенко УХЖ № 08 / ТОМ 89
видатних заслуг, що виявилися у
відкритті мимовільної радіоактив-
ності»;
1924 р. – Манне Сіґбан – «Відкриття й до-
слідження в області рентгенівської
спектроскопії»;
1981 р. – Кай Сіґбан – «За внесок у розвиток
електронної спектроскопії з висо-
кою роздільною здатністю»;
1944 р. – Ісидор Рабі – «За резонансний ме-
тод вимірювання магнітних власти-
востей ядер атомів»;
1986 р. – Ернест Руска – «За роботу над
електронним мікроскопом» та Ґерд
Бінніґ і Генріх Рорер – «За винахід
сканувального тунельного мікро
скопа»;
1930 р. – Чандрасекара Венката Раман –
«Роботи з розсіювання світла й
за відкриття ефекту, названого на
його честь»;
2010 р. – Андрій Гейм (Andre Geim), Кос-
тянтин Новоселов відзначені Но-
белівською нагородою «За експе-
рименти з двовимірним матеріалом
графеном».
Нобелівську премію з хімії отримали:
1901 р. – Якоб Гендрік Вант-Гофф – «На
знак визнання величезної важли-
вості відкриття законів хімічної ди-
наміки і осмотичного тиску в роз-
чинах»;
1911 р. – Марія Кюрі – «За видатні заслуги в
розвитку хімії: відкриття елементів
радію і полонію, виділення радію і
вивчення природи та сполук цього
чудового елементу»;
1922 р. – Френсіс Вільям Астон – «За зро-
блене з допомогою винайденого
ним мас-спектрографа відкриття
ізотопів великого числа нерадіоак-
тивних елементів і за формулюван-
ня правила цілих чисел»;
1944 р. – Отто Ган – «За відкриття розщеп
лення важких ядер»;
1954 р. – Лайнус Карл Полінґ – «За дослі-
дження природи хімічного зв'язку
та її застосування для визначення
структури сполук»;
1956 р. – Сиріл Норман Гіншелвуд, Микола
Миколайович Семенов – «За дослі-
дження в області механізмів хіміч-
них реакцій»;
1991 р. – Ріхард Ернст – «За внесок у розви-
ток методології ядерної магнітної
резонансної спектроскопії високо-
го розділення»;
1996 р. – Роберт Керл, Гарольд Крото, Річард
Смолі – «За відкриття фулеренів»;
2007 р. – Ґергард Ертль – «За дослідження
хімічних процесів на поверхнях
твердих тіл»;
2010 р. – Річард Гек, Еїті Негісі, Акіра Су-
дзукі – «За реакції крос-каплінгу,
що каталізуються паладієм в орга-
нічному синтезі»;
2014 р. – Ерік Бетциґ, Вільям Мернер, Ште-
фан Гелль – «За розвиток флуорес-
центної мікроскопії суперрозділь-
ної здатності»;
2017 р. – Жак Дюбоше, Йоахім Франк, Рі-
чард Гендерсон – «За розроблення
кріоелектронної мікроскопії для
визначення структури з високою
роздільною здатністю біомолекул у
розчині»;
2023 р. – Мунгі Бавенді, Луї Брус, Олексій
Єкімов – «За відкриття та розроб
лення квантових точок».
66 ISSN 2708-129X. Укр. хім. журн., 2023
ДОСЯГНЕННЯ ФІЗИЧНОЇ ХІМІЇ В ОБЛАСТІ ФЛУОРЕСЦЕНТНОЇ МІКРОСКОПІЇ ТА ВІЗУАЛІЗАЦІЇ НАНОСИСТЕМФІЗИЧНА ХІМІЯ
Таким чином, на озброєнні вчених фі-
зико-хіміків з’явилися нові рентгенострук-
турні та рентгенофлуоресцентні прилади,
мас-спектрометри, ЯМР, EПР, рентген-
фотоелектронні спектрометри (ЕСХА), ска
нувальна електронна мікроскопія, просві
чувальна електронна мікроскопія з висо-
кою роздільною здатністю, атомно-силові
мікроскопи та інші фізичні прилади, які на
стику наук поповнювали фундаментальні
знання про електронну будову та фізико-хі-
мічні властивості нових матеріалів, у тому
числі наносистем. Важливо, що в оптичній
мікроскопії подолано дифракційне обме-
ження і завдяки цьому хіміки, біологи і ме-
дики мають можливість без ризику пошко-
дження біологічних систем прискореними
електронами електронних мікроскопів та
високого вакууму контролювати поточні
процеси в режимі реального часу на рівні
окремих молекул, наносистем та нативних
біосистем. Відмітимо, що кінець другого
тисячоліття ознаменовано «науковим бу-
мом» у галузі наносистем: прийнято Націо
нальну наноініціативу США та «Нано» в
дослідженнях низки розвинутих країн.
В Україні в Державній цільовій науково-
технічній програмі «Нанотехнології та на-
номатеріали» на 2010–2014 роки» напрям
«Нанохімія» отримав конкретне завдання –
розроблення та удосконалення нанотехно-
логій виготовлення наноматеріалів, серед
яких розроблення методів хімічного синте-
зу наноматеріалів, наноматеріали для ката-
лізу, композитні органо-неорганічні матері-
али, наносорбенти, розроблення колоїдних
нанотехнологій виготовлення нанорозмір-
них матеріалів, створення нанорозмірних
систем медичного і технічного призначен-
ня. Про сучасні успіхи «нано» свідчить той
факт, що декілька компаній вже освоюють
нанометрові чіпи для смартфонів із тополо-
гією 4 нм (наприклад, Media Tek).
Отже, 2014 року Ерік Бетциґ, Вільям
Мернер, Штефан Гелль отримали Нобелів-
ську премію «За розвиток флуоресцент-
ної мікроскопії суперроздільної здатно-
сті». Ш. Гелль розробив STED-мікроскоп
(Stimulated Emission Depletion Microscopy).
Прилад було обладнано двома лазерами.
Один лазер збуджує люмінесценцію спеці-
ально підібраних білків, а інший частково
її гасить у вибраній області. Накладанням
отриманих зображень створюють зобра-
ження високої роздільної здатності, яке до-
сягало 30 нм.
Інший метод розробили Е. Бетциґ і
В. Мернер (метод одномолекулярної мікро
скопії) – система STORM (Stochastic Оptical
Reconstruction Microscopy), що ґрунтується
на послідовній активації та визначенні в
часі локалізації флуорофорів, що переми-
каються для створення зображення висо-
кої роздільної здатності (досягнута вели-
чина склала десь 5 нм). У [2] представле-
но проспект мікроскопів суперроздільної
здатності, які виготовляють у промислових
масштабах. Відмічено, що ця галузь швидко
розвивається. Відомі провідні фірми з нау-
кового приладобудування – Leica, Bruker,
Zeiss, Perkin Elmer, Termo Fisher Scientific
мають свої оригінальні розробки в області
суперроздільної мікроскопії.
Звернемо увагу на наявність інших важ-
ливих прийомів методу SRM – «cтруктуро-
ване освітлення» – SIM, яке використову-
ють для покращення просторової розділь-
ної здатності та яке передбачає освітлення
зразка візерунковим світлом і використан-
ня програмного забезпечення для аналі-
67https://ucj.org.ua
В. М. Огенко УХЖ № 08 / ТОМ 89
зу інформації в смугах муару за межами
нормального діапазону спостереження.
Програмне забезпечення для реконструк-
ції розшифровує зображення приблизно
з удвічі вищою роздільною здатністю, ніж
межа дифракції ~100 нм.
SIM має переваги перед іншими мето-
дами SRM, а саме можливістю отриман-
ня 3D-зображення та зображення живих
клітин.
Chuankang Li, Cuifang Kuang та Xu Liu
[3] зазначили, що подолання межі дифрак-
ції ∼λ/2 було складним завданням і явля-
ло собою великий інтерес для біологічних
досліджень. Поява флуоресцентної нано-
скопії дозволяє досліджувати мікроскопіч-
ний світ у діапазоні 1–100 нм за допомогою
класичного або звичайного обладнання без
аберацій та розподіляти біологічні реакції
і мультиепітопне мічення. Пропоновані ва-
ріанти, такі як розширювальна мікроскопія
(ЕхМ) і Airyscan є інноваційними за вибір-
кою, освітленням та виявленням. У стат-
ті висвітлено досягнення та перспективи
флуоросцентної наноскопії. Встановлено,
що розширювальна мікроскопія, метод із
модуляцією вибірки є корисними для роз-
шифрування субдифракційних особливос-
тей клітин. При цьому забезпечено майже
10-кратне покращення роздільної здатно-
сті порівняно з комфокальними або зви-
чайними мікроскопами.
У роботі Silvia Pujalsand і Lorenzo
Albertazzi [4] обговорено важливість от-
римання зображень із високою роздільною
здатністю для досліджень у наномедицині.
Констатовано, що «Наноскопія вже зроби-
ла революцію в галузі клітинної біології,
візуалізувавши клітинні структури з на-
нометричною роздільною здатністю, чут-
ливістю до однієї молекули та в декількох
кольорах». Автори вважають, що наноско-
пія здатна внести в характеристику їхніх
структур та нано- біовзаємодій додаткові
відомості.
«Можливість позначати цікаві матеріли
одним або кількома кольорами дає змогу
вивчати ключові події зв’язування, утво-
рення білкової корони, імунне розпізна-
вання та націлювання. Дослідники мають
можливість не тільки відстежувати окремі
наночастинки, але й слідкувати за конкрет-
ним молекулярним видом у просторі і часі».
Наноскопія буде також здатною до пря-
мої візуалізації молекулярних взаємодій і
молекулярного підрахунку. Обговорюється
дорожня карта суперроздільної здатності
для медицини – швидше, глибше та кіль
кісно.
У біології Pierre Bon і Laurent Cogne [5]
досліджували механіку, молекулярні дви-
гуни, взаємодії ДНК-білка. У таких чистих
системах чи не вперше в флуоресцентній
мікроскопії досягнуто роздільну здатність
на рівні однієї молекули. Для вивчення ос-
новних молекулярних функцій і взаємодій
було розроблено передові методи флуорес-
центної мікроскопії, такі як флуоресцент-
на візуалізація впродовж часу життя,
флуоресцентна мікроскопія з перенесен-
ням енергії або флуоресцентна кореляцій-
на спектроскопія, які потребують знання
флуоресцентної фотофізики на рівні ок-
ремої молекули. В очищеному середовищі
рухи окремих білків можна виявити без
міток за допомогою мікроскопії інтерферо-
метричного розсіювання. Вивчають також
68 ISSN 2708-129X. Укр. хім. журн., 2023
ДОСЯГНЕННЯ ФІЗИЧНОЇ ХІМІЇ В ОБЛАСТІ ФЛУОРЕСЦЕНТНОЇ МІКРОСКОПІЇ ТА ВІЗУАЛІЗАЦІЇ НАНОСИСТЕМФІЗИЧНА ХІМІЯ
молекулярні механізми в ізольованих клі-
тинах та 3D-мікроскопію високої розділь-
ної здатності.
Серед недоліків відмічено, що флуорес-
центне зображення може забезпечити мо-
лекулярну специфічність, але складно під-
тримувати довготривале зображення без
деструкції зразка.
Joris Schefold, Sophie Meuret, Nick
Schilde та інші [6] дослідили нанорозмір-
не збудження нанокубів Ag за допомогою
когерентної катодолюмінесцентної візуа-
лізаційної спектроскопії (CL), щоб вияви-
ти фактори, які визначають просторову
роздільну здатність CL як глибоко субхви-
льового методу зображення. Електронний
промінь10–30 кеВ когерентно збуджує
локалізовані плазмони в кубах Ag 70 нм
при 2,4 і 3,1 еВ. Випромінювання від цих
плазмонних мод збирається в дальньо-
му полі разом із розподіленими вторин-
ними електронами. Сканування ліній CL
через нанокуби показує експоненціально
спадаючі хвости від куба, які виявляють
непостійний зв’язок електронного поля з
резонансними плазмонними модами. Вимі-
ряні довжини розпаду ХЛ коливаються від
8 нм (10 кеВ) до 12 нм (30 кеВ) і відрізня-
ються від розрахункових лише на 1–3 нм.
Розроблено статистичну модель розсіюван-
ня електронів всередині нанокубів Ag для
аналізу вторинних електронних зображень
і порівняння їх із даними CL. Краї нанокуба
Ag отримано шляхом сканування лінії CL із
систематичною похибкою менше 3 нм. Дані
демонструють, що CL досліджує індуковані
електронами плазмонні поля з нанометро-
вою точністю.
Weiqing Yang, Zhihong Wei, Yan Nie і
Yuxi Tian [7] розглянули можливості ви-
користання оптичної інтерференційної мі-
кроскопії як методу біовізуалізації склад-
них наночастинок зразків і немаркованих
макромолекул шляхом вимірювання їхніх
розсіяних світлових полів. Наведено ме-
тоди розрізнення сигналів розсіювання
від різних органел клітини та біологічних
макромолекул. Було порівняно переваги та
недоліки п’яти популярних методів зобра-
ження нефлуоресцентних частинок/моле-
кул, включаючи темнопольну мікроскопію
(DFM), поверхневу плазмонну резонансну
мікроскопію (SPRM), поверхнево-посилену
мікроскопію Рамана (SERM), інтерфероме-
тричну мікроскопію розсіювання (iSCAT) і
фототермічну мікроскопію (PTM).
Ruben F. Hamans, Matteo Parente та
Andrea Baldi [8] дослідили плазмонні нано-
частинки золота (Au) як фотокаталізатори
хімічних перетворень. За певних розмірів
виникає повздовжній резонанс і оскільки
характерні розміри зв’язок і пор у нанопо-
ристих матеріалах NPM зазвичай набагато
менші за довжину хвилі падаючого світла
(λ), то плазмонний резонанс може збуджу-
ватися в широкому діапазоні електромаг-
нітного спектра від ультрафіолетового (УФ)
до інфрачервоного (NIR). Автори повідом-
ляють про одночастинкове дослідження in
situ флуорогенної хімічної реакції, керо-
ваної виключно плазмонними ближніми
полями. Використовуючи флуоресцентну
мікроскопію з високою роздільною здатні-
стю, отримано карту положення окремих
молекул продукту з просторовою розділь-
ною здатністю ~30 нм і продемонстровано
кореляцію між розподілом електричного
69https://ucj.org.ua
В. М. Огенко УХЖ № 08 / ТОМ 89
поля навколо окремих наночастинок та їх-
німи картами каталітичної активності.
Ruben F. Hamans, Matteo Parente та
Andrea Baldi [9] повідомляють про ретель-
ні вимірювання поверхневих плазмон-по-
ляритонів (SPP), що проходять вздовж май-
же ідеальних поверхонь розділення повіт
ря – золото, утворених атомарно плоскими
поверхнями синтезованих монокристалів
золота. За допомогою мікроскопії ближ-
нього поля з амплітудним і фазовим роз-
діленням отримано їхню довжину поши-
рення та ефективний індекс моди у види-
мому діапазоні хвиль (532, 594, 632,8, 729
і 800 нм). Відзначено, що наявна діелект
рична функція монокристалічного золота
передбачає приблизно в 1,5 рази коротші
довжини розповсюдження, ніж спостері-
гали в цих експериментах, тоді як діелект
рична функція, визначена для виготовле-
ного полікристалічного золота, збігається
з довжинами розповсюдження SPP. Автори
стверджують, що довжини розповсюджен-
ня SPP, виміряні в представлених експери-
ментах, означають кінцеву межу оптичних
втрат у золоті.
Nazar Oleksiievets, Christeena Mathew,
Jan-Christoph Thiele та інші [10] зазначили,
що суттєвим доповненням до набору ін-
струментів методів мікроскопії з надвисо-
кою роздільною здатністю є флуоресцентна
одномолекулярна локалізаційна мікроско-
пія за часом життя (FL-SMLM). Синергія
SMLM і флуоресцентної мікроскопії за ча-
сом життя (FLIM) поєднує в собі чудову
роздільну здатність зображення з інфор-
мацією про час життя та яку можна реалі-
зувати за допомогою двох додаткових екс-
периментальних підходів: конфокальної
лазерної сканувальної мікроскопії (CLSM)
або широкопольної мікроскопії. Автори
всебічно порівнють два нових підходи FL-
SMLM у різних спектральних областях. Для
широкопольної FL-SMLM використано ко-
мерційну камеру, а для FL-SMLM на осно-
ві CLSM використано систему, оснащену
швидкодіючим сканером і однофотонним
детектором. Охарактеризовано продуктив-
ність двох систем у локалізації одного ви-
промінювача в 3D.
Georg Ramer, Francesco Simone Ruggeri,
Aviad Levin та інші [11] досліджували
ІЧ-спектри білків при згортанні і набуті
ними структури у воді та в повітрі. Відо-
мо, що неправильне згортання білків може
призвести до утворення токсичних амі-
лоїдних агрегатів, пов’язаних із початком
нейродегенеративних розладів. «Щоб ви-
яснити молекулярну основу функціонуван-
ня та збоїв білка, вкрай важливо отримати
доступ до структурної інформації про оди-
ничні збірки та агрегати білків у природних
умовах. Разом із цим поточні конформа-
ційно-чутливі спектроскопічні методи не
мають просторової роздільної здатності та
чутливості, необхідних для характеристи-
ки гетерогенних білкових агрегатів у роз-
чині». Щоб подолати це обмеження, авто-
ри використали фототермічний резонанс.
Завдяки цьому підходу в роботі досліджено
супрамолекулярні агрегати дифенілалані-
ну, основного модуля розпізнавання β-амі-
лоїдного пептиду хвороби Альцгеймера та
його похідного – дифенілаланіну. Таким
чином, у роботі отримано ІЧ-спектри і кар-
ти наноструктур у повітрі та воді з боковою
роздільною здатністю, що дозволяє точно
70 ISSN 2708-129X. Укр. хім. журн., 2023
ДОСЯГНЕННЯ ФІЗИЧНОЇ ХІМІЇ В ОБЛАСТІ ФЛУОРЕСЦЕНТНОЇ МІКРОСКОПІЇ ТА ВІЗУАЛІЗАЦІЇ НАНОСИСТЕМФІЗИЧНА ХІМІЯ
ідентифікувати хімічний і структурний
стан морфологічно подібних структур на
рівні одного агрегату.
Anna Bezryadina, Junxiang Zhao, Yang
Xiaта та інші [12] продемонстрували, що
локалізована плазмонна мікроскопія зі
структурованим освітленням (LPSIM) за-
безпечує багатоколірне широкопольне
зображення надвисокої роздільної здат-
ності з низькою фототоксичністю та висо-
кою швидкістю. LPSIM використовує на-
норозмірну плазмонну антенну ґратку для
забезпечення серії настроюваних шабло-
нів освітлення за межею традиційної диф-
ракції, дозволяючи покращити роздільну
здатність до кількох десятків нанометрів.
Продемонстровано LPSIM широкого поля
з просторовою роздільною здатністю 50 нм
і швидкістю відео, відображаючи динаміку
мікротрубочок із низькою інтенсивністю
освітлення. Конструкція системи LPSIM
робить її придатною для зображення по-
верхневих ефектів клітин і тканин зі зви-
чайними протоколами підготовки зразків.
LPSIM можна розширити до набагато ви-
щої роздільної здатності, що являє собою
чудову технологію для візуалізації живих
клітин, динаміки та взаємодії білків.
C. D. Rankine and T. J. Penfold [13] від-
значили, що «розроблення високоякісних
джерел світла третього та четвертого по-
колінь, таких як синхротрони та рентгенів-
ські лазери на вільних електронах, поява
лабораторних рентгенівських спектроме-
трів, а також інструментальні та методо-
логічні досягнення в спектроскопії рент-
генівського поглинання і (не)резонансного
випромінювання мали далекосяжні наслід-
ки в природничих науках». За останнє де-
сятиліття відбувся значний прогрес у теорії
спектроскопії серцевина – дірки. У цій пер-
спективі розглянуто проблеми обчислення
збуджених станів і спектрів ядра, а також,
найсучасніші розробки в теорії електрон
ної будови, динаміці та підходах, керованих
навчальними машинами.
C. Verma, Aditya Yadav, Chethana Rao
та інші [14] розглянули послідовний про-
грес використання вуглецевих квантових
точок як ефективного нанозонда для різ-
них методів візуалізації суперроздільної
мікроскопії. Досліджено властивості ви-
промінювання на рівні однієї частинки, пе-
ремикання увімкнення – вимкнення, робо-
чий цикл, які є важливими критеріями для
будь-якого флуоресцентного зонда. Обго-
ворено успішне застосування вуглецевих
квантових точок для отримання високо-
роздільної структури різних субклітинних
органел. Підсумовано деякі ключові харак-
теристики вуглецевих квантових точок для
їхнього успішного застосування як нового
флуоресцентного зонда. Продемонстрова-
но можливість їхнього використання як
ефективних флуоресцентних нанозондів
у мікроскопії STED (стимульована емісія
затухання), STORM (стахостична рекон-
структивно-оптична мікроскопія), PALM
(фотоактивована локалізаційна мікроско-
пія) та інші. З усіх наведених вище одно-
частинкових досліджень зроблено важли-
вий висновок, що поверхневі стани або гру-
пи загалом відповідають за флуоресценцію
вуглецевих наноточок. Переривчастість
флуоресценції виникає через перенесення
електронів між яскравими флуоресцент-
ними станами та нефлуоресцентними тем-
71https://ucj.org.ua
В. М. Огенко УХЖ № 08 / ТОМ 89
ними станами. Відмічено, що миготливу
поведінку можливо налаштувати за допо-
могою агентів, що приймають і донорують
електрони, або за допомогою індукованого
лазером перемикання.
Yi-Teng Hsiao, Chia-Ni Tsai, Ching-Ya
Cheng та інші [15] вважають, що оптична
інтерференційна мікроскопія є потужним
методом біовізуалізації шляхом вимірю-
вання складних світлових полів, пов'язаних
зі зразком. На сьогодні сучасна інтерферен-
ційна мікроскопія дозволяє безпосередньо
візуалізувати дуже малі поодинокі біоло-
гічні наночастинки і немарковані макромо-
лекули. Стабільний і невизначений сигнал
лінійного розсіювання дозволяє безпе-
рервно спостерігати за зразком із високою
швидкістю, пропонуючи можливості до-
сліджувати одномолекулярну біофізику з
безпрецедентними деталями. Відмічено,
що «використання інтерференційної мік
роскопії для дослідження складних біоло-
гічних зразків, таких як біологічна клітина,
стає захоплюючим полем дослідження».
Динамічний оптичний сигнал живих клі-
тин містить багату часову інформацію, яка
корисна для підвищення молекулярної спе-
цифічності та функціональної інформації
при візуалізації клітин без міток.
Для флуоресцентної мікроскопії високої
роздільної здатності (наноскопії) Yi-Teng
Hsiao, Chia-Ni Tsai, Ching-Ya Cheng та
інші описали [16] компактні, переривчас-
то миготливі та фотоактивовані барвники.
Поєднуючи ядро фотоактивованого ксан-
тону (PaX) із групою тетразину, досягну-
то мінімального розміру та високочутливі
молекулярні діади для вибіркового мічення
неприродних амінокислот, введених шля-
хом розширення генетичного коду. Вико-
ристано властивості гасіння збудженого
стану тетразинової групи для послаблення
швидкості фотоактивації PaX і подальшо-
го зменшення загального випромінювання
флуоресценції фотогенерованого флуоро-
фору, що забезпечує обидва механізми се-
лективності. У поєднанні з наноскопією
MINFLUX (Minimal Fluorescence) автори
використовують діади для візуалізації ни-
ток віментину з мінімальною помилкою
зчеплення, демонструючи точність пози-
ціонування флуорофору в молекулярному
масштабі.
Gwosch, K.C. Pape, J. K. Balzarotti [17]
відзначають, що кінцевою метою біологіч-
ної флуоресцентної мікроскопії з високою
роздільною здатністю є забезпечення три-
вимірної роздільної здатності на рівні роз-
міру флуоресцентного маркера. Показано,
що шляхом локалізації окремих флуоро-
форів, що перемикаються за допомогою
пробного пучка збудження у формі бубли-
ка, наноскопія MINFLUX може забезпечи-
ти роздільну здатність у діапазоні від 1 до
3 нм для структур у фіксованих і живих
клітинах. Зображення INFLUX ядерних по-
рових комплексів клітини ссавців показує,
що цю справжню нанометрову роздільну
здатність можна досягти в трьох вимірах і
в двох кольорових каналах.
Sarah Wieghold та Lea Nienhaus [18] за-
значили, що поєднання методів оптичної
спектроскопії та сканувальної тунельної
мікроскопії є перспективним для розгляду
оптичних процесів на нанорівні та отри-
мання однозначного розуміння процесів
на рівні однієї молекули, що необхідно для
72 ISSN 2708-129X. Укр. хім. журн., 2023
ДОСЯГНЕННЯ ФІЗИЧНОЇ ХІМІЇ В ОБЛАСТІ ФЛУОРЕСЦЕНТНОЇ МІКРОСКОПІЇ ТА ВІЗУАЛІЗАЦІЇ НАНОСИСТЕМФІЗИЧНА ХІМІЯ
повного виявлення складного зв’язку між
структурою та властивостями нових мате-
ріальних систем. Автори висвітлюють по-
глинання однієї молекули, виявленої за до-
помогою сканувальної тунельної мікроско-
пії (SMA-STM) для дослідження взаємодії
світло – матерія наночастинок, квантових
точок, молекулярних і тонких плівок. Крім
цього показано, як техніку SMA-STM було
розширено для дослідження нових класів
матеріалів, а також модифікації конструк-
цій, які дозволяють вивчати як зображення
з роздільною здатністю в часі, так і томо-
графію.
Alemayehu Nana Koya, Xiangchao Zhu,
Nareg Ohannesian [19] розглянули засто-
сування плазмоніки в діапазонах довжин
хвиль (від ультрафіолетового до інфрачер-
воного) штучно сконструйованих нано-
пористих плазмонних матеріалів (NPM)
на основі металів Au, Ag, Cu, Al, Mg і Pt.
Встановлено, що зразки на основі нанопо-
ристого золота та змішаних металів мають
велику питому поверхню, відмінні оптич-
ні властивості, високу електропровідність,
що відкриває перспективи для багатьох за-
стосувань, зокрема в спектроскопії та фо-
токаталізі.
Резонансне збудження поверхневих
плазмонів у металевих наноструктурах
призводить до посилення електромагніт-
них полів у надмалих об’ємах за межею ди
фракції. Оскільки характерні розміри зв’я-
зок і пор у NPM зазвичай набагато менші
за довжину хвилі падаючого світла (λ), то
плазмонний резонанс може збуджуватися
в широкому діапазоні електромагнітно-
го спектра від ультрафіолетового (УФ) та
до майже інфрачервоного шляхом підбо-
ру розмірів пор, модуляції діелектричних
властивостей металів або зміною їхньо-
го діелектричного середовища. Зокрема,
електромагнітні гарячі точки, пов’язані з
NPM, з їхнім електромагнітним посилен-
ням, простотою експлуатації широко вико-
ристовують у поверхнево-посиленій рама-
нівській спектроскопії (SERS) і для поси-
лення флуоресценції.
Izzah Machfuudzoh, Tatsuki Hinamoto,
F. Javier García de Abajo [20] показали, що
сферична діелектрична частинка може під-
тримувати так звані моди шепітливої гале-
реї (WGM), які розглядали як циркулюючі
електромагнітні хвилі, що призводить до
просторового обмеження світла всередині
частинки. Це дослідження демонструє на-
норозмірну візуалізацію оптичного поля
самоінтерференції світла, вилученого зі
збуджених мод за допомогою експеримен-
тально отриманих карт фотонів. Щоб ви-
бірково вибрати конкретні режими при
заданому куті виявлення випромінювання
світла та резонансній довжині хвилі, ав-
тори використовували скануючу трансмі-
сійну електронну мікроскопію на основі
катодолюмінесценції, доповнену можли-
востями визначення кута, поляризації та
довжини хвилі. Моделювання розподілу
внутрішнього поля мод шепітливої гале-
реї показують, що випромінювання, яке
генерує сферичний резонатор на заданій
резонансній частоті, складається з інтер-
ференції між кількома модами, причому
одна або більше з них є порівняно доміну-
ючими. Завдяки цьому досягнуто прямої
візуалізації внутрішніх полів всередині
резонатора.
73https://ucj.org.ua
В. М. Огенко УХЖ № 08 / ТОМ 89
У [21] Siwoo Jin, Jiseong Park, Wonhee
John Lee та інші пропонують технологію
відеозапису життя на молекулярному рів-
ні. Така технологія є ключем до здійснення
спостереження в реальному часі з відповід-
ною роздільною здатністю в тривимірному
(3D) просторі в живих клітинах. Повідом-
ляється про оптичний мікроскопічний
метод для дослідження ендосомальної ди-
наміки з належним просторово-часовим
дозволом у 3D-просторі в живих клітинах –
плазмонний темнопольний STORM (pdf-
STORM). Підтверджено, що pdf-STORM
має просторову роздільну здатність, по-
рівняну з роздільною здатністю скануючої
електронної мікроскопії. Спостерігаючи за
двома оптичними зондами в одній органе-
лі, автори змогли відстежити обертальні
рухи та продемонструвати доцільність ви-
користання pdf-STORM для спостережен-
ня за кутовими зміщеннями ендосоми.
Judith Langer, Dorleta Jimenez de Abe
rasturi, Javier Aizpurua [22] відмічають,
що «відкриття посилення з фактором (108 і
більше) комбінаційного розсіювання моле-
кулами, адсорбованими на наноструктуро-
ваних металевих поверхнях срібла і золота,
є віхою в історії спектроскопічних та аналі-
тичних методів». У цій роботі понад 50 ви-
датних авторів з усього світу об’єдналися,
щоб узагальнити сучасний стан розуміння
та використання SERS.
Перспективи вражають. Наносенсори
та нанорепортери з поверхнево-посиле-
ним комбінаційним розсіюванням є ефек-
тивними та універсальними платформами
для біохімічного зондування, візуалізації
та медичної тераностики. Поверхнево роз-
ширені методи виявлення комбінаційного
розсіювання, які мають високу здатність
мультиплексування, будуть критично важ-
ливими для майбутньої персоналізованої
та геномної медицини. Здатність виявля-
ти кілька біомаркерів одночасно, таких як
нуклеїнові кислоти (ДНК, мРНК, мікро
РНК тощо), є важливою для багатьох засто-
сувань і для майбутньої медицини на осно-
ві діагностики POC, високопродуктивних
систем скринінгу, біологічних досліджень і
ранньої медичної діагностики на генному і
молекулярному рівнях.
«Поверхнево посилене комбінаційне роз
сіювання застосовують не лише для сен
сорних цілей, а й також як інструмент точ-
ного зображення зразків. Мікроскопія Im
muno-SERS (iSERS) використовує переваги
наноміток SERS. Основними перевагами
цієї нової нанобіофотонної техніки є пара-
лельна локалізація багатьох білків на кліти-
нах і тканинах, кількісне визначення білка
та високий контраст зображення».
Наведена праця віддзеркалює унікальні
досягнення науки і може слугувати дорож-
ньою картою розвитку низки нових фунда-
ментальних напрямків науки.
ВИСНОВКИ. В огляді висвітлено досяг-
нення та перспективи флуоресцентної на-
носкопії SRM. Флуоресцентна мікроскопія
високої роздільної здатності успішно роз-
вивається та вивчає наносвіт у діапазоні
1–100 нм на рівні сканувальної електронної
мікроскопії. В клітинній біології, наноме-
дицині тощо розробляють дорожні карти
наукових проривів методів візуалізації су-
перроздільної здатності для «живих» зо-
бражень. Обрії мікроскопії Immuno-SERS
та медицини індивідуальної діагностики
розширяються, обіцяючи захоплюючі перс
пективи.
74 ISSN 2708-129X. Укр. хім. журн., 2023
ДОСЯГНЕННЯ ФІЗИЧНОЇ ХІМІЇ В ОБЛАСТІ ФЛУОРЕСЦЕНТНОЇ МІКРОСКОПІЇ ТА ВІЗУАЛІЗАЦІЇ НАНОСИСТЕМФІЗИЧНА ХІМІЯ
Роботу виконано в межах наукової
роботи 323 НТ фонду бюджетного
фінансування НАН України.
ACHIEVEMENTS IN PHYSICAL CHEMISTRY
IN THE FIELD OF MICROSCOPY AND
VISUALIZATION OF NANOSYSTEMS.
V.M. Ogenko*
*Vernadsky Institute of General and Inorganic
Chemistry N.A.S of Ukraine,
32/34 Acad. Palladin av., 03142 Kyiv, Ukraine
Email: vladimir.ogenko@gmail.com
The review presents modern views and the
history of the development of microscopic
studies of nanosystems which heve been start-
ed 2014, after the Nobel Prize in Chemistry was
awarded to Eric Betzig, William Mörner, and
Stefan Gell "for the development of super-re-
solved fluorescence microscopy". Their work
ushered in a new era of optical microscopy,
enabling the precise examination of individu-
al molecules and molecular clusters by using
optical microscopes. By circumventing the dif-
fraction limitations that had constrained tra-
ditional optical microscopes, scientists gained
access to the nanoscale realm, investigating
structures within the 1–100 nanometer range.
Special attention is paid to the use of carbon
quantum dots and plasmon resonance to en-
hance fluorescence when obtaining the effect
of super-resolution images, which allow the
use of optical microscopes in the estimation of
the sizes of cluster and single molecules. This
breakthrough in removing the diffraction li
mitation allowed scientists to use the working
range of 1–100 nm and obtain 3D images of
nanosystems and images of living cells. Par-
ticular attention is paid to the achievements
and prospects of high-resolution fluorescent
nanoscopy SRM, which is successfully develo
ping and studying the nanoworld in the range
of 1–100 nm at the level of scanning electron
microscopy. In cell biology, nanomedicine, etc.
are developing roadmaps for scientific break-
throughs in super-resolution visualization me
thods for "live" images. Prospects of Immuno-
SERS microscopy and medicine of individual
diagnosis are considered
Key Findings:
1. This article highlights the achievements and
future prospects of super-resolution fluo-
rescence microscopy SRM.
2. High-resolution fluorescence microscopy
has proven instrumental in advancing our
understanding of the living world within
the 1–100 nanometer range, which is akin
to the capabilities of scanning electron mi-
croscopy.
3. Within the domains of cell biology and na-
nomedicine, roadmaps for scientific break-
throughs are emerging, fueled by super-
resolution imaging techniques, providing
"live" insights into cellular processes.
4. The horizons of Immuno-SERS Microscopy
and Personalized Diagnostics Medicine are
expanding, promising exciting prospects in
the field of medical diagnostics.
Keywords: Fluorescence microscopy, opti-
cal interference microscopy, plasmon micros-
copy, super-resolution STED microscopy, na-
nosystems.
75https://ucj.org.ua
В. М. Огенко УХЖ № 08 / ТОМ 89
ЛІТЕРАТУРА:
1. Warren C. W. Chan. Writing Excellent Review
Articles. ACS Nano 2023. 17( 3) :1723-1724.
https://doi.org/10.1021/acsnano.3c00497
2. <Super-Resolution Microscopy.| Thermo Fish-
er Scientific - CA> .
https://www. termofisher.com
3. Chuankang Li, Cuifang Kuang and Xu Liu.
Prospects for Fluorescence Nanoscopy. ACS
Nano 2018. 12 ( 5) : 4081–4085
https://doi.org/10.1021/acsnano.8b02142
4. Silvia Pujalsand Lorenzo Albertazzi. Super-
resolution Microscopy for Nanomedicine Re-
search.: ACS Nano 2019. 13 (9): 9707–9712.
https://doi.org/10.1021/acsnano.9b05289
5. Pierre Bon and Laurent Cogne. On Some
Current Challenges in High-Resolution Op-
tical Bioimaging. ACS Photonics 2022. 9 :
2538−2546.
https://doi.org/10.1021/acsphotonics.2c00606
6. Joris Schefold, Sophie Meuret, Nick Schilder,
Toon Coenen, Harshal Agrawal, Erik C. Gar-
nett, and Albert Polman. Spatial resolution of
coherent cathodoluminescence super-reso-
lution microscopy. ACS Photonics 2019. 6 (4)
1067–1072.
DOI: 10.1021/acsphotonics.9b00164
7. Weiqing Yang, Zhihong Wei, Yan Nie and
Yuxi Tian. Optical Detection and Imaging of
Nonfluorescent Matter at the Single-Molecule/
Particle Level. J. Phys. Chem. Lett. 2022. 13:
9618−9631.
doi: 10.1021/acs.jpclett.2c02228.
8. Ruben F. Hamans, Matteo Parente, and Andrea
Baldi. Super-Resolution Mapping of a Chemi-
cal Reaction Driven by Plasmonic Near-Field:
Nano Lett . 2021. 21: 2149−2155.
https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.0c04837
9. Ruben F. Hamans, Matteo Parente, and An-
drea Baldi. Ultimate Limit for Optical Losses
in Gold, Revealed by Quantitative Near-Field
Microscopy : Nano Lett. 2022. 22: 5759−5764.
https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.2c01059
10. Nazar Oleksiivets, Christeena Mathew, Jan
Christoph Thiele, José Ignacio Gallea, Oleksii
Nevskyi, Ingo Gregor, André Weber, Roman
Tsukanov, and Jörg Enderlein. Single-Mole
cule Fluorescence Lifetime Imaging Using
Wide-Field and Confocal-Laser Scanning Mi-
croscopy. A Comparative Analysi : Nano Lett.
2022 .2 2: 6454−6461.
https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.2c01586
11. Georg Ramer, Francesco Simone Ruggeri, Avi-
ad Levin, Tuomas P. J. Knowles, and Andrea
Centro. Determination of Polypeptide Con-
formation with Nanoscale Resolution in Wa-
ter. ACS Nano 2018. 12 (7) : 6612-6619.
DOI: 10.1021/acsnano.8b01425
12. Anna Bezryadina, Junxiang Zhao, Yang Xia,
Xiang Zhang, and Zhaowei Liu: High Spatio-
temporal Resolution Imaging with Localized
Plasmonic Structured Illumination Microsco-
py. ACS Nano. 2018. 12 8 : 8248–8254.
https://doi.org/10.1021/acsnano.8b03477
13. C. D. Rankine and T. J. Penfold Progress in the
Theory of X‑ray Spectroscopy: From Quan-
tum Chemistry to Machine Learning and Ul-
trafast Dynamics. J. Phys. Chem. A 2021. 125.
20 : 4276–4293.
https://doi.org/10.1021/acs.jpca.0c11267
14. Navneet C. Verma, Aditya Yadav, Chethana
Rao, Pushpendra M. Mishra, and Chayan K.
Nandi. Emergence of Carbon Nanodots as
a Probe for Super-Resolution Microscopy. J.
Phys. Chem. C. 2021. 125: 1637−1641.
https://doi.org/10.1021/acs.jpcc.0c09695
15. Molecularly Specific and Functional Live Cell
Imaging by Label-Free Interference Micros-
copy. Yi-Teng Hsiao, Chia-Ni Tsai, Ching-Ya
Cheng, and Chia-Lung Hsieh . ACS photonics.
9(7): 2237-2245.
https://doi.org/10.1021/acsphotonics.2c00599
16. Yi-Teng Hsiao, Chia-Ni Tsai, Ching-Ya Cheng
Maria Augusta do R. B. F. Lima, Alexey N.
Butkevich, Mariano L. Bossi, and Stefan W.
Hell. Bioorthogonal Caging-Group-Free Pho-
toactivatable Probes for Minimal-Linkage-Er-
ror Nanoscopy . ACS Cent. Sci. 2023. 9 ( 8 ):
76 ISSN 2708-129X. Укр. хім. журн., 2023
ДОСЯГНЕННЯ ФІЗИЧНОЇ ХІМІЇ В ОБЛАСТІ ФЛУОРЕСЦЕНТНОЇ МІКРОСКОПІЇ ТА ВІЗУАЛІЗАЦІЇ НАНОСИСТЕМФІЗИЧНА ХІМІЯ
1581–1590.
https://doi.org/10.1021/acscentsci.3c00746
17. Gwosch, K. C.; Pape, J. K.; Balzarotti, F.;
Hoess, P.; Ellenberg, J.; Ries, J.; Hell, S. W.
MINFLUX nanoscopy delivers 3D multicolor
nanometer resolution in cells. Nat. Methods.
2020. 17 (2) : 217−224.
doi: 10.1038/s41592
18. Viewing Optical Processes at the Nanoscale:
Combining Scanning Tunneling Microscopy
and Optical Spectroscopy. Sarah Wieghold
and Lea Nienhaus. The Journal of Physical
Chemistry C 2023 . 127 (8): 3913-3920.
DOI:10.1021/acs.jpcc.2c08912
19. Alemayehu Nana Koya, Xiangchao Zhu, Nareg
Ohannesian, A. Ali Yanik, Alessandro Alabas-
tri, Remo Proietti Zaccaria, Roman Krahne,
Wei-Chuan Shih, and Denis Garoli. Nanop-
orous Metals: From Plasmonic Properties to
Applications in Enhanced Spectroscopy and
Photocatalysis. ACS Nano 2021. 15. 4: 6038–
6060.
https://doi.org/10.1021/acsnano.0c10945
20. Izzah Machfuudzoh, Tatsuki Hinamoto, F. Javi-
er García de Abajo, Hiroshi Sugimoto, Minoru
Fujii, and Takumi Sannomiya. Visualizing the
Nanoscopic Field Distribution of Whisper-
ing-Gallery Modes in a Dielectric Sphere by
Cathodoluminescence ACS Photonics. 2023
10, 5, 1434–1445 . https://doi.org/10.1021/acs-
photonics.3c00041
21. Siwoo Jin, Jiseong Park, Wonhee John Lee,
Yongdeok Ahn, Youngchan Park, Minsoo
Park, Inchan Hwang, Kwanyong Seo, and
Daeha Seo. Two GPSes in a Ball: Deciphering
the Endosomal Tug-of-War Using Plasmo
nic Dark-Field STORM. JACS Au 2022. 2. 7 :
1596–1603.
https://doi.org/10.1021/jacsau.2c00180
22. Judith Langer, Dorleta Jimenez de Aberasturi,
Javier Aizpurua. Present and Future of Sur-
face-Enhanced Raman Scattering. ACS Nano
2020. 14 (1): 28-117
DOI: 10.1021/acsnano.9b04224.
REFERENCES
1. Warren C.W., Chan. Writing Excellent Review
Articles. ACS Nano. 2023. 17(3): 1723–1724.
https://doi.org/10.1021/acsnano.3c00497
2. <Super-Resolution Microscopy.|Thermo Fi
sher Scientific-CA>.
https://www. termofisher.com
3. Chuankang Li, Cuifang Kuang and Xu Liu.
Prospects for Fluorescence Nanoscopy. ACS
Nano. 2018. 12(5): 4081–4085.
https://doi.org/10.1021/acsnano.8b02142
4. Albertazzi Silvia Pujalsand Lorenzo. Super-
resolution Microscopy for Nanomedicine Re-
search. ACS Nano. 2019. 13 (9): 9707–9712.
https://doi.org/10.1021/acsnano.9b05289
5. Bon Pierre and Cogne Laurent. On Some Cur-
rent Challenges in High-Resolution Optical Bio
imaging. ACS Photonics. 2022. 9 : 2538−2546.
https://doi.org/10.1021/acsphotonics.2c00606
6. Schefold Joris, Meuret Sophie, Schilder Nick,
Coenen Toon, Agrawal Harshal, Garnett
Erik C. , and Polman Albert. Spatial resolution
of coherent cathodoluminescence super-reso-
lution microscopy. ACS Photonics. 2019. 6 (4)
1067–1072.
DOI: 10.1021/acsphotonics.9b00164
7. Weiqing Yang, Zhihong Wei, Yan Nie and
Yuxi Tian. Optical Detection and Imaging of
Nonfluorescent Matter at the Single-Molecule/
Particle Level. J. Phys. Chem. Lett. 2022. 13:
9618−9631.
doi: 10.1021/acs.jpclett.2c02228.
8. Hamans Ruben F. , Parente Matteo, and Bal-
di Andrea. Super-Resolution Mapping of
a Chemical Reaction Driven by Plasmonic
Near-Field: Nano Lett . 2021. 21: 2149−2155.
https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.0c04837
9. Hamans Ruben F. , Parente Matteo, and Bal-
di Andrea. Ultimate Limit for Optical Losses
in Gold, Revealed by Quantitative Near-Field
Microscopy : Nano Lett. 2022. 22: 5759−5764.
https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.2c01059
10. Oleksiivets Nazar, Mathew Christeena, Thiele
Jan Christoph, Gallea José Ignacio, Nevskyi
77https://ucj.org.ua
В. М. Огенко УХЖ № 08 / ТОМ 89
Oleksii, Gregor Ingo, Weber André, Tsukanov
Roman, and Enderlein Jörg. Single-Molecule
Fluorescence Lifetime Imaging Using Wide-
Field and Confocal-Laser Scanning Microsco-
py. A Comparative Analysi. Nano Lett. 2022.
22: 6454−6461.
https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.2c01586
11. Ramer Georg, Ruggeri Francesco Simone,
Levin Aviad, Knowles Tuomas P. J. , and Cen-
tro Andrea. Determination of Polypeptide
Conformation with Nanoscale Resolution in
Water. ACS Nano. 2018. 12 (7) : 6612–6619.
DOI: 10.1021/acsnano.8b01425
12. Bezryadina Anna, Zhao Junxiang, Xia Yang,
Zhang Xiang, and Liu Zhaowei: High Spatio-
temporal Resolution Imaging with Localized
Plasmonic Structured Illumination Micro
scopy. ACS Nano. 2018. 12 (8): 8248–8254.
https://doi.org/10.1021/acsnano.8b03477
13. Rankine C. D. and Penfold T. J. Progress in the
Theory of X‑ray Spectroscopy: From Quan-
tum Chemistry to Machine Learning and Ul-
trafast Dynamics. J. Phys. Chem. A 2021. 125.
20 : 4276–4293.
https://doi.org/10.1021/acs.jpca.0c11267
14. Navneet C. Verma, Aditya Yadav, Chethana
Rao, Pushpendra M. Mishra, and Chayan K.
Nandi. Emergence of Carbon Nanodots as
a Probe for Super-Resolution Microscopy. J.
Phys. Chem. C. 2021. 125: 1637−1641.
https://doi.org/10.1021/acs.jpcc.0c09695
15. Molecularly Specific and Functional Live Cell
Imaging by Label-Free Interference Micro
scopy. Yi-Teng Hsiao, Chia-Ni Tsai, Ching-Ya
Cheng, and Chia-Lung Hsieh. ACS photonics.
9(7): 2237–2245.
https://doi.org/10.1021/acsphotonics.2c00599
16. Yi-Teng Hsiao, Chia-Ni Tsai, Ching-Ya Cheng
Maria Augusta do R. B. F. Lima, Alexey N.
Butkevich, Mariano L. Bossi, and Stefan W.
Hell. Bioorthogonal Caging-Group-Free Pho-
toactivatable Probes for Minimal-Linkage-Er-
ror Nanoscopy. ACS Cent. Sci. 2023. 9 (8):
1581–1590.
https://doi.org/10.1021/acscentsci.3c00746
17. Gwosch K. C., Pape J. K., Balzarotti F., Hoess P.
Ellenberg J., Ries J., Hell S. W. MINFLUX na-
noscopy delivers 3D multicolor nanometer
resolution in cells. Nat. Methods. 2020. 17 (2):
217−224. doi: 10.1038/s41592
18. Viewing Optical Processes at the Nanoscale:
Combining Scanning Tunneling Microscopy
and Optical Spectroscopy. Sarah Wieghold
and Lea Nienhaus. The Journal of Physical
Chemistry C. 2023. 127(8): 3913–3920.
DOI:10.1021/acs.jpcc.2c08912
19. Alemayehu Nana Koya, Xiangchao Zhu, Nareg
Ohannesian, A. Ali Yanik, Alessandro Alabas-
tri, Remo Proietti Zaccaria, Roman Krahne,
Wei-Chuan Shih, and Denis Garoli. Nano
porous Metals: From Plasmonic Properties to
Applications in Enhanced Spectroscopy and
Photocatalysis. ACS Nano. 2021. 15(4): 6038–
6060.
https://doi.org/10.1021/acsnano.0c10945
20. Izzah Machfuudzoh, Tatsuki Hinamoto, F. Ja
vier García de Abajo, Hiroshi Sugimoto, Mino-
ru Fujii, and Takumi Sannomiya. Visualizing
the Nanoscopic Field Distribution of Whis-
pering-Gallery Modes in a Dielectric Sphere
by Cathodoluminescence. ACS Photonics.
2023. 10(5): 1434–1445 .
https://doi.org/10.1021/acsphotonics.3c00041
21. Siwoo Jin, Jiseong Park, Wonhee John Lee, Yon-
gdeok Ahn, Youngchan Park, Minsoo Park, In-
chan Hwang, Kwanyong Seo, and Daeha Seo.
Two GPSes in a Ball: Deciphering the Endo
somal Tug-of-War Using Plasmonic Dark-Field
STORM. JACS Au. 2022. 2(7): 1596–1603.
https://doi.org/10.1021/jacsau.2c00180
22. Langer Judith, Aberasturi Dorleta Jimenez de,
Aizpurua Javier. Present and Future of Sur-
face-Enhanced Raman Scattering. ACS Nano.
2020. 14 (1): 28–117.
DOI: 10.1021/acsnano.9b04224.
Стаття надійшла 01.08.2023.
|
| id | oai:ojs2.1444248.nisspano.web.hosting-test.net:article-575 |
| institution | Ukrainian Chemistry Journal |
| keywords_txt_mv | keywords |
| language | English |
| last_indexed | 2026-07-23T01:10:25Z |
| publishDate | 2023 |
| publisher | V.I.Vernadsky Institute of General and Inorganic Chemistry |
| record_format | ojs |
| resource_txt_mv | ucjorgua/61/9583288c65c5d76aa0b0a69ec4aa9661.pdf |
| spelling | oai:ojs2.1444248.nisspano.web.hosting-test.net:article-5752026-07-22T08:23:52Z ACHIEVEMENTS IN PHYSICAL CHEMISTRY IN THE FIELD OF MICROSCOPY AND VISUALIZATION OF NANOSYSTEMS Ogenko, Volodymyr Fluorescence microscopy, optical interference microscopy, plasmon microscopy, super-resolution STED microscopy, nanosystems. The review presents modern views and the history of the development of microscopic studies of nanosystems which heve been started 2014, after the Nobel Prize in Chemistry was awarded to Eric Betzig, William Mörner, and Stefan Gell "for the development of super-resolved fluorescence microscopy". Their work ushered in a new era of optical microscopy, enabling the precise examination of individual molecules and molecular clusters by using optical microscopes. By circumventing the diffraction limitations that had constrained traditional optical microscopes, scientists gained access to the nanoscale realm, investigating structures within the 1–100 nanometer range. Special attention is paid to the use of carbon quantum dots and plasmon resonance to enhance fluorescence when obtaining the effect of super-resolution images, which allow the use of optical microscopes in the estimation of the sizes of cluster and single molecules. This breakthrough in removing the diffraction limitation allowed scientists to use the working range of 1–100 nm and obtain 3D images of nanosystems and images of living cells. Particular attention is paid to the achievements and prospects of high-resolution fluorescent nanoscopy SRM, which is successfully developing and studying the nanoworld in the range of 1–100 nm at the level of scanning electron microscopy. In cell biology, nanomedicine, etc. are developing roadmaps for scientific breakthroughs in super-resolution visualization methods for "live" images. Prospects of Immuno-SERS microscopy and medicine of individual diagnosis are considered Key Findings: This article highlights the achievements and future prospects of super-resolution fluorescence microscopy SRM. High-resolution fluorescence microscopy has proven instrumental in advancing our understanding of the living world within the 1–100 nanometer range, which is akin to the capabilities of scanning electron microscopy. Within the domains of cell biology and nanomedicine, roadmaps for scientific breakthroughs are emerging, fueled by super-resolution imaging techniques, providing "live" insights into cellular processes. The horizons of Immuno-SERS Microscopy and Personalized Diagnostics Medicine are expanding, promising exciting prospects in the field of medical diagnostics. V.I.Vernadsky Institute of General and Inorganic Chemistry 2023-09-29 Article Article Physical chemistry Физическая xимия Фізична xімія application/pdf https://ucj.org.ua/index.php/journal/article/view/575 10.33609/2708-129X.89.08.2023.63-77 Ukrainian Chemistry Journal; Vol. 89 No. 8 (2023): Ukrainian Chemistry Journal; 63-77 Украинский химический журнал; ##issue.vol## 89 ##issue.no## 8 (2023): Ukrainian Chemistry Journal; 63-77 Український хімічний журнал; Том 89 № 8 (2023): Ukrainian Chemistry Journal; 63-77 2708-129X 2708-1281 en https://ucj.org.ua/index.php/journal/article/view/575/292 Copyright (c) 2023 Volodymyr Ogenko https://creativecommons.org/licenses/by-nc/4.0 |
| spellingShingle | Ogenko, Volodymyr ACHIEVEMENTS IN PHYSICAL CHEMISTRY IN THE FIELD OF MICROSCOPY AND VISUALIZATION OF NANOSYSTEMS |
| title | ACHIEVEMENTS IN PHYSICAL CHEMISTRY IN THE FIELD OF MICROSCOPY AND VISUALIZATION OF NANOSYSTEMS |
| title_full | ACHIEVEMENTS IN PHYSICAL CHEMISTRY IN THE FIELD OF MICROSCOPY AND VISUALIZATION OF NANOSYSTEMS |
| title_fullStr | ACHIEVEMENTS IN PHYSICAL CHEMISTRY IN THE FIELD OF MICROSCOPY AND VISUALIZATION OF NANOSYSTEMS |
| title_full_unstemmed | ACHIEVEMENTS IN PHYSICAL CHEMISTRY IN THE FIELD OF MICROSCOPY AND VISUALIZATION OF NANOSYSTEMS |
| title_short | ACHIEVEMENTS IN PHYSICAL CHEMISTRY IN THE FIELD OF MICROSCOPY AND VISUALIZATION OF NANOSYSTEMS |
| title_sort | achievements in physical chemistry in the field of microscopy and visualization of nanosystems |
| topic_facet | Fluorescence microscopy optical interference microscopy plasmon microscopy super-resolution STED microscopy nanosystems. |
| url | https://ucj.org.ua/index.php/journal/article/view/575 |
| work_keys_str_mv | AT ogenkovolodymyr achievementsinphysicalchemistryinthefieldofmicroscopyandvisualizationofnanosystems |