Super-Resolution Optical Fluctuation Bio-Imaging with Dual-Color Carbon Nanodots

Abstract

Success in super-resolution imaging relies on a proper choice of fluorescent probes. Here, we suggest novel easily produced and biocompatible nanoparticles-carbon nanodots-for super-resolution optical fluctuation bioimaging (SOFI). The particles revealed an intrinsic dual-color fluorescence, which corresponds to two subpopulations of particles of different electric charges. The neutral nanoparticles localize to cellular nuclei suggesting their potential use as an inexpensive, easily produced nucleus-specific label. The single particle study revealed that the carbon nanodots possess a unique hybrid combination of fluorescence properties exhibiting characteristics of both dye molecules and semiconductor nanocrystals. The results suggest that charge trapping and redistribution on the surface of the particles triggers their transitions between emissive and dark states. These findings open up new possibilities for the utilization of carbon nanodots in the various super-resolution microscopy methods based on stochastic optical switching.

Excitation wavelength independent visible color emission of carbon dots

“…1–4 CDs thus have already been studied for broad applications including in fluorescent probes and sensors, 5,6 biolabeling and medical imaging, 7,8 LED color display and lighting devices. 9–11 In these applications, the fluorescence emission colors from blue to red are all needed, especially from green to red.…”

Fluorescent Diarylethene Photoswitches—A Universal Tool for Super‐Resolution Microscopy in Nanostructured Materials

“…Potentially capable of performing super‐resolution imaging (SRI) at high frame rates, SOFI offers great opportunities for fluorescence nanoimaging. A significant advantage of SOFI is its robustness with respect to blinking modalities, which allows its application to various fluctuating samples such as rotating dipoles or binary stars, to be imaged and super‐resolved …”

Nanographene: ultrastabile, schaltbare und helle Sonden für die hochauflösende Mikroskopie

“…Dieser Befund demonstriert die Vielseitigkeit von Nanographen‐Fluorophoren im Vergleich zu niedermolekularen Farbstoffen; sie behalten die für die SMLM geforderten Eigenschaften: gutes Blinken unter Umgebungsbedingungen, und keine spezielle Chemie des Puffers ist erforderlich. Was den Blinkmechanismus von Nanographenen betrifft, so lässt ihr Blinken in verschiedenen Umgebungen auf einen anderen Mechanismus schließen als bei herkömmlichen organischen Farbstoffen, Halbleiter‐Quantenpunkten und Kohlenstoffpunkten . Die Aufklärung des Blinkmechanismus von Nanographenen ist Thema der laufenden Forschung.…”

“…B. der stochastischen optischen Rekonstruktionsmikroskopie (STORM), der photoaktivierten Lokalisationsmikroskopie (PALM) und der Minimalemissionsfluss‐Mikroskopie (MINFLUX) im Lokalisierungsmodus . Derzeit werden in solchen Anwendungen vier Klassen von photoschaltbaren Fluorophoren verwendet: niedermolekulare organische Farbstoffe, photoaktivierbare/‐schaltbare fluoreszierende Proteine, anorganische Quantenpunkte (QDs) und Kohlenstoffpunkte (CDs) . Jede Klasse von Fluorophoren hat ihre Vor‐ und Nachteile entweder aus photophysikalischer oder aus anwendungstechnischer Sicht .…”