Kemisters långvariga dröm om att observera den strukturella dynamiken hos en enda molekyl har nu blivit möjlig. Enstaka molekyler med en storlek på cirka 1 nanometer existerar i ett flyktigt tillstånd under omgivande förhållanden. Med tanke på att coronaviruset, som är cirka 100 nm stort, sprider sig snabbt i luften visar hur svårt det är att observera en enda molekyl. Nyligen har ett koreanskt forskarlag upptäckt ett tillförlitligt sätt att observera enstaka molekyler vid rumstemperatur genom att täcka dem med ett tunt isolerande lager, som en filt.

Forskargruppen ledd av professor Kyoung-Duck Park och Ph.D. kandidaten Mingu Kang (Institutionen för fysik) vid POSTECH, i samarbete med professor Yung Doug Suh (Department of Chemistry) vid Ulsan National Institute of Science and Technology (UNIST), har framgångsrikt undersökt konformationen (arrangemanget av atomerna i en molekyl) av individuella molekyler vid rumstemperatur för första gången, vilket ger en närmare titt på den strukturella dynamiken hos en enskild molekyl, som är den grundläggande enheten för allt, inklusive människor.

Djupanalys med Raman-spridningssignaler, känd som det molekylära "fingeravtrycket", är svårt för molekyler som exponeras för luft på grund av de kontinuerliga kemiska reaktionerna och molekylära rörelserna. Extremt låga temperaturer (under -200 °C) och vakuumförhållanden har använts i stor utsträckning för enmolekylstudier för att förhindra ovannämnda problem, men ändå har konfigurationerna många begränsningar när det gäller tekniska svårigheter och miljöförhållanden.

För att övervinna detta placerade forskargruppen en enda molekyl på ett substrat belagt med en tunn film av guld och täckte den med ett mycket tunt lager av aluminiumoxid (Al₂ O₃ ). Molekylen som fångas mellan guld- och aluminiumoxidskikten är isolerad från dess omgivning, vilket leder till undertryckta kemiska reaktioner och molekylära rörelser.

Den immobiliserade molekylen observeras sedan genom den ultrakänsliga spetsförstärkta nanoskopin som utvecklats av forskargruppen. Att använda metoden möjliggör exakt detektering av svaga optiska signaler från en enda molekyl, på grund av den optiska antenneffekten av den vassa metallspetsen. Genom detta övervanns upplösningsgränsen för en allmän optisk mikroskopi (cirka 500 nm) för att tydligt särskilja den konformationella heterogeniteten hos 1 nm-stora enmolekyler och verifiera om de står vertikalt eller ligger horisontellt.

Mingu Kang från POSTECH säger att "medan rymdteleskopet James Webb kan observera den längsta punkten i det observerbara universum för att avslöja universums ursprung, observerar vår nanoskopi för enstaka molekyler den minsta enheten för att avslöja livets ursprung."

Arbetet kan avslöja den molekylära konformationen av proteiner och DNA med en upplösning på nanometernivå, vilket leder till identifiering av orsaken till obotliga sjukdomar och utveckling av behandlingar för sådana tillstånd. Att täcka ett prov med ett tunt lager kan dessutom enkelt appliceras vid rumstemperatur eller till och med högre temperaturer för studier av en enda molekyl och deras tillämpningar.

Studien publicerades nyligen i Nature Communications . + Utforska vidare

Skapande och brytning av kemiska bindningar i enstaka "nanokonfinerade" molekyler