(PhysOrg.com)-Världens första tredimensionella plasmon härskare, kan mäta rumsliga förändringar i nanometer i makrmolekylära system, har utvecklats av forskare vid U.S. Department of Energy (DOE) Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab), i samarbete med forskare vid universitetet i Stuttgart, Tyskland. Dessa 3D-plasmonlinjaler skulle kunna förse forskare med oöverträffade detaljer om sådana kritiska dynamiska händelser inom biologi som samspelet mellan DNA och enzymer, veckning av proteiner, peptidernas rörelse eller cellmembranens vibrationer.

"Vi har demonstrerat en 3D-plasmonlinjal, baserad på kopplade plasmoniska oligomerer i kombination med högupplöst plasmonspektroskopi, som gör att vi kan hämta
den fullständiga rumsliga konfigurationen av komplexa makromolekylära och biologiska processer, och för att spåra den dynamiska utvecklingen av dessa processer, " säger Paul Alivisatos, chef för Berkeley Lab och ledare för denna forskning.

Alivisatos, som också är Larry och Diane Bock professor i nanoteknik vid University of California (UC), Berkeley, är senior författare till en artikel i tidskriften Vetenskap beskriver denna forskning. Tidningen har titeln "Tredimensionella plasmonlinjaler." Medförfattare till denna artikel var Laura Na Liu, som vid den tidpunkt då arbetet utfördes var medlem i Alivisatos forskargrupp men nu är med vid Rice University, och Mario Hentschel, Thomas Weiss och Harald Giessen med universitetet i Stuttgart.

Nanometerskalan är där den biologiska och materialvetenskapliga vetenskapen konvergerar. När mänskliga maskiner och enheter krymper till storleken av biomolekyler, forskare behöver verktyg för att exakt mäta små strukturella förändringar och avstånd. För detta ändamål, forskare har utvecklat linjära linjaler baserade på de elektroniska ytvågorna som kallas "plasmoner, "som genereras när ljus färdas genom de begränsade dimensionerna av nanopartiklar eller strukturer av ädelmetall, som guld eller silver.

"Två ädla metalliska nanopartiklar i omedelbar närhet kommer att koppla ihop med varandra genom sina plasmonresonanser för att generera ett ljusspridande spektrum som starkt beror på avståndet mellan de två nanopartiklarna, " säger Alivisatos. "Denna ljusspridande effekt har använts för att skapa linjära plasmonlinjaler som har använts för att mäta avstånd i nanoskala i biologiska celler."

Jämfört med andra typer av molekylära härskare, som är baserade på kemiska färgämnen och fluorescensresonans energiöverföring (FRET), plasmon linjaler varken blinkar eller fotoblekar, och erbjuder även exceptionell fotostabilitet och ljusstyrka. Dock, fram till nu kunde plasmon linjaler endast användas för att mäta avstånd längs en dimension, en begränsning som hämmar all omfattande förståelse för alla biologiska och andra mjukmaterialprocesser som sker i 3D.

"Plasmonisk koppling i flera nanopartiklar placerade i närheten av varandra leder till ljusspridning
spektra som är känsliga för en komplett uppsättning 3D -rörelser, " säger Laura Na Liu, motsvarande författare till Science paper. "Nyckeln till vår framgång är att vi kunde skapa skarpa spektrala egenskaper i den annars breda resonansprofilen av plasmonkopplade nanostrukturer genom att använda interaktioner mellan fyrpoliga och dipolära lägen."

Liu förklarar att typiska dipolära plasmonresonanser är breda på grund av strålningsdämpning. Som ett resultat, den enkla kopplingen mellan flera partiklar producerar otydliga spektra som inte lätt omvandlas till avstånd. Hon och hennes medförfattare övervann detta problem med en 3D linjal konstruerad av fem guld nanorods med individuellt kontrollerad längd och orientering, där en nanorod placeras vinkelrätt mellan två par parallella nanorods för att bilda en struktur som liknar bokstaven H.

"Den starka kopplingen mellan den enda nanorod och de två parallella nanorod-paren undertrycker strålningsdämpning och möjliggör excitation av två skarpa fyrpolära resonanser som möjliggör högupplöst plasmonspektroskopi, "Liu säger. "Alla konformationsförändringar i denna 3D-plasmoniska struktur kommer att producera lätt observerbara förändringar i de optiska spektra."

Inte bara ändrade konformationsförändringar i deras 3D-plasmonlinjaler ljusspridningsvåglängder, men graderna av rumslig frihet som gav dess fem nanorod-struktur gjorde det också möjligt för Liu och hennes kollegor att urskilja riktningen och storleken på strukturella förändringar.

"Som ett bevis på konceptet, vi tillverkade en serie prover med högprecisionselektronstrålelitografi och lager-för-lager stapling nanotekniker, sedan bäddade in dem med våra 3D-plasmonlinjaler i ett dielektriskt medium på ett glassubstrat, " säger Liu. "Experimentella resultat stämde utmärkt överens med de beräknade spektra."

Alivisatos, Liu och deras Stuttgart -medarbetare föreställer sig en framtid där 3D -plasmon härskare skulle, genom biokemiska länkar, vara fäst vid en provmakromolekyl, till exempel, till olika punkter längs en sträng av DNA eller RNA, eller vid olika positioner på ett protein eller en peptid. Provmakromolekylen skulle sedan exponeras för ljus och de optiska svaren från 3D-plasmonlinjalerna skulle mätas via mörkfältsmikrospektroskopi.

"Förverkligandet av 3D-plasmonlinjaler som använder nanopartiklar och biokemiska länkar är utmanande, men 3D nanopartikelsammansättningar med önskade symmetrier och konfigurationer har redan demonstrerats, " säger Liu. "Vi tror att dessa spännande experimentella prestationer tillsammans med introduktionen av vårt nya koncept kommer att bana väg mot förverkligandet av 3D-plasmonlinjaler i biologiska och andra mjuka materiasystem."