最近,美國(guó)能源部勞倫斯-伯克利國(guó)家實(shí)驗(yàn)室與德國(guó)斯圖加特大學(xué)研究人員合作,開(kāi)發(fā)出了世界首個(gè)三維等離子標(biāo)尺,能在納米尺度上測(cè)量大分子系統(tǒng)在三維空間的結(jié)構(gòu)。該標(biāo)尺有助于科學(xué)家在研究生物的關(guān)鍵動(dòng)力過(guò)程中,以前所未有的精度來(lái)測(cè)量DNA(脫氧核糖核酸)和酶的作用、蛋白質(zhì)折疊、多肽運(yùn)動(dòng)、細(xì)胞膜震動(dòng)等。研究論文發(fā)表在最新一期《科學(xué)》雜志上。
隨著電子設(shè)備和生物學(xué)研究對(duì)象越來(lái)越小,人們需要一種能測(cè)量微小距離和結(jié)構(gòu)變化的精確工具。此前有一種等離子標(biāo)尺,是基于電子表面波(也叫“等離子體”)開(kāi)發(fā)出的一種線性標(biāo)尺。當(dāng)光通過(guò)貴金屬,如金或銀納米粒子的限定維度或結(jié)構(gòu)時(shí),就會(huì)產(chǎn)生這種等離子體或表面波。但目前的等離子標(biāo)尺只能測(cè)量一維距離長(zhǎng)度,在測(cè)量三維生物分子、軟物質(zhì)作用過(guò)程方面還有很大局限,其中等離子共振由于輻射衰減而變?nèi)酰嗔W娱g的簡(jiǎn)單耦合產(chǎn)生的光譜很模糊,很難轉(zhuǎn)換為距離。
而新型三維等離子標(biāo)尺克服了上述困難。該三維等離子標(biāo)尺由5根金質(zhì)納米棒構(gòu)成,其中一個(gè)垂直放在另外兩對(duì)平行的納米棒中間,形成雙層H型結(jié)構(gòu)。垂直的納米棒和兩對(duì)平行納米棒之間會(huì)形成強(qiáng)耦合,阻止了輻射衰減,引起兩個(gè)明顯的四極共振,由此能產(chǎn)生高分辨率的等離子波譜。標(biāo)尺中有任何結(jié)構(gòu)上的變化,都會(huì)在波譜上產(chǎn)生明顯變化。另外,5根金屬棒的長(zhǎng)度和方向都能獨(dú)立控制,其自由度還能區(qū)分方向和結(jié)構(gòu)變化的重要程度?!?/span>
研究人員還用高精度電子束光刻和疊層納米技術(shù)制作了一系列樣品,將三維等離子標(biāo)尺放在玻璃的絕緣介質(zhì)中,嵌入樣品進(jìn)行測(cè)量,實(shí)驗(yàn)結(jié)果與計(jì)算出來(lái)的數(shù)據(jù)高度一致。與其他分子標(biāo)尺相比,這種三維等離子標(biāo)尺建立在化學(xué)染料和熒光共振能量轉(zhuǎn)移的基礎(chǔ)上,不會(huì)閃爍也不會(huì)產(chǎn)生光致褪色,在光穩(wěn)定性和亮度上都很高。
談到應(yīng)用前景,該研究領(lǐng)導(dǎo)者、伯克利實(shí)驗(yàn)室負(fù)責(zé)人鮑爾·埃利維塞特說(shuō),這種三維等離子標(biāo)尺是一種轉(zhuǎn)換器,可將其附著在DNA或RNA鏈多個(gè)位點(diǎn),或放在蛋白質(zhì)、多肽的不同位置,再現(xiàn)復(fù)雜大分子的完整結(jié)構(gòu)和生物過(guò)程,追蹤這些過(guò)程的動(dòng)態(tài)演變。
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