Verdens første 3D plasmon lineal:Tager 3D-mål for makromolekyler

(PhysOrg.com) -- Verdens første tredimensionelle plasmonlinealer, i stand til at måle nanometer-skala rumlige ændringer i makrmolekylære systemer, er udviklet af forskere fra det amerikanske energiministerium (DOE) Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab), i samarbejde med forskere ved universitetet i Stuttgart, Tyskland. Disse 3D -plasmon -linealer kan give forskere hidtil usete detaljer om sådanne kritiske dynamiske begivenheder i biologien som interaktionen mellem DNA og enzymer, foldning af proteiner, bevægelsen af ​​peptider eller vibrationer i cellemembraner.

"Vi har demonstreret en 3D plasmon lineal, baseret på koblede plasmoniske oligomerer i kombination med højopløselig plasmonspektroskopi, der gør os i stand til at hente
den fuldstændige rumlige konfiguration af komplekse makromolekylære og biologiske processer, og for at spore den dynamiske udvikling af disse processer, " siger Paul Alivisatos, direktør for Berkeley Lab og leder af denne forskning.

Alivisatos, som også er Larry og Diane Bock professor i nanoteknologi ved University of California (UC), Berkeley, er seniorforfatter til en artikel i tidsskriftet Videnskab beskriver denne forskning. Papiret har titlen "Tredimensionale Plasmon-linealer." Medforfatter af dette papir var Laura Na Liu, som på det tidspunkt, arbejdet blev udført, var medlem af Alivisatos' forskningsgruppe, men nu er ved Rice University, og Mario Hentschel, Thomas Weiss og Harald Giessen fra universitetet i Stuttgart.

Nanometerskalaen er hvor den biologiske og materialevidenskabelige videnskab konvergerer. Efterhånden som menneskelige maskiner og enheder krymper til størrelsen af ​​biomolekyler, forskere har brug for værktøjer til præcist at måle små strukturelle ændringer og afstande. Til denne ende, forskere har udviklet lineære linealer baseret på de elektroniske overfladebølger kendt som "plasmoner, "som genereres når lys bevæger sig gennem de begrænsede dimensioner af ædelmetal -nanopartikler eller strukturer, såsom guld eller sølv.

"To ædle metalliske nanopartikler i umiddelbar nærhed vil koble sig med hinanden gennem deres plasmonresonanser for at generere et lysspredningsspektrum, der afhænger stærkt af afstanden mellem de to nanopartikler, " siger Alivisatos. "Denne lysspredningseffekt er blevet brugt til at skabe lineære plasmonlinealer, der er blevet brugt til at måle afstande i nanoskala i biologiske celler."

Sammenlignet med andre typer molekylære linealer, som er baseret på kemiske farvestoffer og fluorescensresonans energioverførsel (FRET), plasmon linealer hverken blinker eller photobleach, og tilbyder også enestående fotostabilitet og lysstyrke. Imidlertid, indtil nu kunne plasmon linealer kun bruges til at måle afstande langs en dimension, en begrænsning, der hæmmer enhver omfattende forståelse af alle de biologiske og andre bløde stof-processer, der finder sted i 3D.

"Plasmonisk kobling i flere nanopartikler placeret i nærheden af ​​hinanden fører til lysspredning
spektre, der er følsomme over for et komplet sæt 3D -bevægelser, " siger Laura Na Liu, korresponderende forfatter til Science papiret. "Nøglen til vores succes er, at vi var i stand til at skabe skarpe spektrale træk i den ellers brede resonansprofil for plasmonkoblede nanostrukturer ved at bruge interaktioner mellem firrupolære og dipolære tilstande."

Liu forklarer, at typiske dipolære plasmonresonanser er brede på grund af strålingsdæmpning. Som resultat, den enkle kobling mellem flere partikler producerer utydelige spektre, der ikke let omdannes til afstande. Hun og hendes medforfattere overvandt dette problem med en 3D lineal konstrueret af fem guld nanorods med individuelt styret længde og orientering, hvor en nanorod er placeret vinkelret mellem to par parallelle nanorods for at danne en struktur, der ligner bogstavet H.

"Den stærke kobling mellem den enkelte nanorod og de to parallelle nanorodpar undertrykker strålingsdæmpning og muliggør excitation af to skarpe firrupolære resonanser, der muliggør højopløselig plasmon-spektroskopi, "Liu siger. "Enhver konformationel ændring i denne 3D plasmoniske struktur vil producere let observerbare ændringer i de optiske spektre."

Ikke alene ændrede konformationsændringer i deres 3D plasmon -linealer lysspredende bølgelængder, men graderne af rumlig frihed, der gav dens fem nanorodstruktur, gjorde det også muligt for Liu og hendes kolleger at skelne retningen såvel som størrelsen af ​​strukturelle ændringer.

"Som et bevis på konceptet, vi fremstillede en række prøver ved hjælp af højpræcisions elektronstråle litografi og lag-for-lag stabling nanoteknikker, derefter indlejret dem med vores 3D plasmon linealer i et dielektrisk medium på et glassubstrat, " siger Liu. "Eksperimentelle resultater var i fremragende overensstemmelse med de beregnede spektre."

Alivisatos, Liu og deres Stuttgart -samarbejdspartnere forestiller sig en fremtid, hvor 3D plasmon -herskere ville, gennem biokemiske linkere, være knyttet til et prøvemakromolekyle, for eksempel, til forskellige punkter langs en streng af DNA eller RNA, eller på forskellige positioner på et protein eller peptid. Prøve -makromolekylet ville derefter blive udsat for lys, og de optiske reaktioner fra 3D -plasmon -linealerne ville blive målt via mørkt feltmikrospektroskopi.

"Realiseringen af ​​3D -plasmon -linealer ved hjælp af nanopartikler og biokemiske linkere er udfordrende, men 3D nanopartikelsamlinger med ønskede symmetrier og konfigurationer er allerede blevet demonstreret, "Liu siger." Vi tror på, at disse spændende eksperimentelle præstationer sammen med introduktionen af ​​vores nye koncept vil bane vejen mod realisering af 3D-plasmon-linealer i biologiske og andre soft-matter-systemer. "