世界首个三维等离子标尺研制成功

2011-6-20 10:03 来源: 中国科学院
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  最近,美国能源部劳伦斯-伯克利国家实验室与德国斯图加特大学研究人员合作,开发出了世界首个三维等离子标尺,能在纳米尺度上测量大分子系统在三维空间的结构。该标尺有助于科学家在研究生物的关键动力过程中,以前所未有的精度来测量DNA(脱氧核糖核酸)和酶的作用、蛋白质折叠、多肽运动、细胞膜震动等。研究论文发表在最新一期《科学》杂志上。

  随着电子设备和生物学研究对象越来越小,人们需要一种能测量微小距离和结构变化的精确工具。此前有一种等离子标尺,是基于电子表面波(也叫“等离子体”)开发出的一种线性标尺。当光通过贵金属,如金或银纳米粒子的限定维度或结构时,就会产生这种等离子体或表面波。但目前的等离子标尺只能测量一维距离长度,在测量三维生物分子、软物质作用过程方面还有很大局限,其中等离子共振由于辐射衰减而变弱,多粒子间的简单耦合产生的光谱很模糊,很难转换为距离。

  而新型三维等离子标尺克服了上述困难。该三维等离子标尺由5根金质纳米棒构成,其中一个垂直放在另外两对平行的纳米棒中间,形成双层H型结构。垂直的纳米棒和两对平行纳米棒之间会形成强耦合,阻止了辐射衰减,引起两个明显的四极共振,由此能产生高分辨率的等离子波谱。标尺中有任何结构上的变化,都会在波谱上产生明显变化。另外,5根金属棒的长度和方向都能独立控制,其自由度还能区分方向和结构变化的重要程度。

  研究人员还用高精度电子束光刻和叠层纳米技术制作了一系列样品,将三维等离子标尺放在玻璃的绝缘介质中,嵌入样品进行测量,实验结果与计算出来的数据高度一致。与其他分子标尺相比,这种三维等离子标尺建立在化学染料和荧光共振能量转移的基础上,不会闪烁也不会产生光致褪色,在光稳定性和亮度上都很高。

  谈到应用前景,该研究领导者、伯克利实验室负责人鲍尔·埃利维塞特说,这种三维等离子标尺是一种转换器,可将其附着在DNA或RNA链多个位点,或放在蛋白质、多肽的不同位置,再现复杂大分子的完整结构和生物过程,追踪这些过程的动态演变。