(PhysOrg.com) -- 's Werelds eerste driedimensionale plasmonlinialen, in staat om ruimtelijke veranderingen op nanometerschaal in macrmoleculaire systemen te meten, zijn ontwikkeld door onderzoekers van het Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) van het Amerikaanse Department of Energy (DOE), in samenwerking met onderzoekers van de Universiteit van Stuttgart, Duitsland. Deze 3D-plasmonlinialen zouden wetenschappers ongekende details kunnen verschaffen over zulke kritische dynamische gebeurtenissen in de biologie als de interactie van DNA met enzymen, het vouwen van eiwitten, de beweging van peptiden of de trillingen van celmembranen.

"We hebben een 3D-plasmonliniaal gedemonstreerd, op basis van gekoppelde plasmonoligomeren in combinatie met hoge resolutie plasmonspectroscopie, die ons in staat stelt om terug te halen
de volledige ruimtelijke configuratie van complexe macromoleculaire en biologische processen, en om de dynamische evolutie van deze processen te volgen, " zegt Paul Alivisatos, directeur van Berkeley Lab en leider van dit onderzoek.

Alivisatos, die ook de Larry en Diane Bock hoogleraar nanotechnologie is aan de Universiteit van Californië (UC), Berkeley, is de senior auteur van een artikel in het tijdschrift Wetenschap dit onderzoek beschrijft. Het artikel is getiteld "Three-Dimensional Plasmon Rulers." Co-auteur van dit artikel waren Laura Na Liu, die op het moment dat het werk werd gedaan lid was van de onderzoeksgroep van Alivisatos, maar nu bij de Rice University werkt, en Mario Hentschel, Thomas Weiss en Harald Giessen met de Universiteit van Stuttgart.

De nanometerschaal is waar de biologische en materiaalwetenschappen samenkomen. Naarmate menselijke machines en apparaten krimpen tot de grootte van biomoleculen, wetenschappers hebben hulpmiddelen nodig waarmee ze de kleinste structurele veranderingen en afstanden nauwkeurig kunnen meten. Hiertoe, onderzoekers hebben lineaire linialen ontwikkeld op basis van de elektronische oppervlaktegolven die bekend staan ​​als "plasmonen, " die worden gegenereerd wanneer licht door de beperkte afmetingen van nanodeeltjes of structuren van edelmetaal reist, zoals goud of zilver.

"Twee edele metalen nanodeeltjes die dicht bij elkaar staan, zullen met elkaar koppelen door hun plasmonresonanties om een ​​lichtverstrooiend spectrum te genereren dat sterk afhangt van de afstand tussen de twee nanodeeltjes, ", zegt Alivisatos. "Dit lichtverstrooiende effect is gebruikt om lineaire plasmonlinialen te creëren die zijn gebruikt om nanoschaalafstanden in biologische cellen te meten."

In vergelijking met andere soorten moleculaire heersers, die zijn gebaseerd op chemische kleurstoffen en fluorescentieresonantie-energieoverdracht (FRET), plasmonlinialen knipperen noch fotobleek, en bieden ook uitzonderlijke fotostabiliteit en helderheid. Echter, tot nu toe konden plasmonlinialen alleen worden gebruikt om afstanden langs één dimensie te meten, een beperking die elk alomvattend begrip van alle biologische en andere zachte-materieprocessen die in 3D plaatsvinden, belemmert.

"Plasmonische koppeling in meerdere nanodeeltjes die in de buurt van elkaar zijn geplaatst, leidt tot lichtverstrooiing"
spectra die gevoelig zijn voor een complete set van 3D-bewegingen, " zegt Laura Na Liu, corresponderende auteur van het Science paper. "De sleutel tot ons succes is dat we scherpe spectrale kenmerken konden creëren in het anders brede resonantieprofiel van plasmon-gekoppelde nanostructuren door interacties tussen quadrupolaire en dipolaire modi te gebruiken."

Liu legt uit dat typische dipolaire plasmonresonanties breed zijn vanwege stralingsdemping. Als resultaat, de eenvoudige koppeling tussen meerdere deeltjes produceert onduidelijke spectra die niet gemakkelijk worden omgezet in afstanden. Zij en haar co-auteurs hebben dit probleem overwonnen met een 3D-liniaal die is gemaakt van vijf gouden nanostaafjes van individueel gecontroleerde lengte en oriëntatie, waarbij één nanostaaf loodrecht tussen twee paren parallelle nanostaafjes wordt geplaatst om een ​​structuur te vormen die lijkt op de letter H.

"De sterke koppeling tussen de enkele nanostaaf en de twee parallelle nanostaafparen onderdrukt stralingsdemping en zorgt voor de excitatie van twee scherpe quadrupolaire resonanties die plasmonspectroscopie met hoge resolutie mogelijk maken, Liu zegt. "Elke conformatieverandering in deze 3D-plasmonische structuur zal gemakkelijk waarneembare veranderingen in de optische spectra produceren."

Niet alleen veranderden conformationele veranderingen in hun 3D-plasmonlinialen de lichtverstrooiingsgolflengten, maar de mate van ruimtelijke vrijheid die de structuur van vijf nanostaafjes bood, stelde Liu en haar collega's ook in staat om de richting en de omvang van structurele veranderingen te onderscheiden.

"Als proof of concept, we hebben een reeks monsters gefabriceerd met behulp van zeer nauwkeurige elektronenstraallithografie en laag-voor-laag stapelende nanotechnieken, ze vervolgens ingebed met onze 3D-plasmonlinialen in een diëlektrisch medium op een glassubstraat, " zegt Liu. "De experimentele resultaten kwamen uitstekend overeen met de berekende spectra."

Alivisatos, Liu en hun Stuttgart-medewerkers zien een toekomst voor zich waarin 3D-plasmonheersers, via biochemische linkers, worden gehecht aan een monster macromolecuul, bijvoorbeeld, naar verschillende punten langs een DNA- of RNA-streng, of op verschillende posities op een eiwit of peptide. Het monstermacromolecuul zou dan worden blootgesteld aan licht en de optische reacties van de 3D-plasmonlinialen zouden worden gemeten via donkerveldmicrospectroscopie.

"De realisatie van 3D-plasmonlinialen met behulp van nanodeeltjes en biochemische linkers is een uitdaging, maar 3D-nanodeeltjesassemblages met gewenste symmetrieën en configuraties zijn al aangetoond, " zegt Liu. "We geloven dat deze opwindende experimentele prestaties samen met de introductie van ons nieuwe concept de weg zullen effenen naar de realisatie van 3D-plasmonlinialen in biologische en andere zachte-materiesystemen."