Iagttagelse af forskellen i strukturel dynamik af 1 nm enkeltmolekyler ved stuetemperatur for første gang

Kemikeres langvarige drøm om at observere den strukturelle dynamik af et enkelt molekyle er nu blevet gjort mulig. Enkelte molekyler med en størrelse på omkring 1 nanometer eksisterer i en flygtig tilstand under omgivende forhold. I betragtning af, at coronavirussen, som er omkring 100 nm i størrelse, spreder sig hurtigt i luften, viser det, hvor svært det er at observere et enkelt molekyle. For nylig har et koreansk forskerhold opdaget en pålidelig måde at observere enkelte molekyler ved stuetemperatur ved at dække dem med et tyndt isolerende lag, som et tæppe.

Forskerholdet ledet af professor Kyoung-Duck Park og ph.d. kandidat Mingu Kang (instituttet for fysik) ved POSTECH har i samarbejde med professor Yung Doug Suh (afdelingen for kemi) ved Ulsan National Institute of Science and Technology (UNIST) med succes undersøgt konformationen (arrangementet af atomerne i et molekyle) af individuelle molekyler ved stuetemperatur for første gang, hvilket giver et nærmere kig på den strukturelle dynamik af et enkelt molekyle, som er den grundlæggende enhed i alle sager inklusive mennesker.

Dybdeanalyse ved hjælp af Raman-spredningssignaler, kendt som det molekylære "fingeraftryk", er vanskeligt for molekyler, der udsættes for luft på grund af de kontinuerlige kemiske reaktioner og molekylære bevægelser. Ekstremt lave temperaturer (under -200 °C) og vakuumforhold er blevet brugt i vid udstrækning til enkeltmolekyleundersøgelser for at forhindre de førnævnte problemer, men alligevel har konfigurationerne mange begrænsninger i form af tekniske vanskeligheder og miljømæssige forhold.

For at overvinde dette placerede forskerholdet et enkelt molekyle på et substrat belagt med en tynd film af guld og dækkede det med et meget tyndt lag aluminiumoxid (Al₂ O₃ ). Molekylet fanget mellem guld- og aluminiumoxidlagene er isoleret fra omgivelserne, hvilket fører til undertrykte kemiske reaktioner og molekylære bevægelser.

Det immobiliserede molekyle observeres derefter gennem den ultrafølsomme spidsforstærkede nanoskopi udviklet af forskerholdet. Brug af metoden giver mulighed for præcis detektion af svage optiske signaler fra et enkelt molekyle på grund af den skarpe metalspidss optiske antenneeffekt. Herigennem blev opløsningsgrænsen for en generel optisk mikroskopi (ca. 500 nm) overvundet for klart at skelne den konformationelle heterogenitet af 1 nm-størrelse enkeltmolekyler og verificere, om de står lodret eller ligger vandret.

Mingu Kang fra POSTECH siger, at "mens James Webb-rumteleskopet kan observere det fjerneste punkt i det observerbare univers for at afsløre universets oprindelse, observerer vores nanoskopi for enkeltmolekyler den mindste enhed for at afsløre livets oprindelse."

Arbejdet kan afsløre den molekylære konformation af proteiner og DNA med en opløsning på nanometerniveau, hvilket fører til identifikation af årsagen til uhelbredelige sygdomme og udvikling af behandlinger for sådanne tilstande. Derudover kan dækning af en prøve med et tyndt lag nemt påføres ved stuetemperatur eller endnu højere temperaturer til enkeltmolekyleundersøgelser og deres anvendelser.

Undersøgelsen blev for nylig offentliggjort i Nature Communications . + Udforsk yderligere

Fremstilling og brydning af kemiske bindinger i enkelte 'nanobundne' molekyler