Нанозонды перемещаются по поверхностиПо этой причине в прошлом ученые всего мира разработали сложные концепции, позволяющие обойти дифракционный предел и тем самым повысить разрешение. Однако для этого требуются значительные технические усилия, и обычно требуются узкоспециализированные сборки микроскопов. В частности, исследование ближних оптических полей все еще представляет собой серьезную проблему, поскольку они настолько сильно локализованы, что не могут посылать волны на удаленный детектор.
В новом исследовании физики из Университета Юлиуса-Максимилиана Вюрцбурга (JMU) и Технического университета Дрездена теперь показывают, что можно измерить эти ближние поля с гораздо меньшими усилиями. Они использовали биомолекулярную транспортную систему, чтобы перемещать по поверхности множество очень маленьких оптических нанозондов. Они представляют свои результаты в текущем номере журнала Nature Nanotechnology.
Внутриклеточные молекулы, используемые как транспортная система«В качестве зондов мы использовали так называемые квантовые точки — маленькие флуоресцентные частицы размером в несколько нанометров», — говорит профессор Берт Хехт, описывая подход физиков. Хехт возглавляет кафедру экспериментальной физики (биофизики) в JMU; и совместно руководил проектом вместе с профессором Стефаном Диезом, председателем BioNanoTools в B CUBE — Центре молекулярной биоинженерии в Техническом университете Дрездена.Так называемые моторные белки и микротрубочки заставляют квантовые точки проходить над исследуемым объектом. «Эти два элемента являются одними из основных компонентов внутриклеточной транспортной системы», — объясняет Диц. «Микротрубочки — это трубчатые белковые комплексы длиной до нескольких десятых миллиметра, которые образуют главную сеть транспортных маршрутов внутри клеток. Моторные белки проходят по этим маршрутам, транспортируя внутриклеточные нагрузки из одного места в другое», — говорит ученый.
Моторные белки обеспечивают движущую силуФизики из Вюрцбурга и Дрездена воспользовались этой концепцией, но в обратном порядке: «Моторные белки прикреплены к поверхности образца и проходят над ними микротрубочки — своего рода« стадиальное погружение »с биомолекулами», — говорит Хайко Гро? Аспирант группы Hecht.
Квантовые точки, служащие оптическими зондами, прикрепляются к микротрубочкам и перемещаются вместе с их носителем.Поскольку для сканирования большой площади поверхности одной квантовой точки потребуется очень много времени, исследователи использовали большое количество квантовых точек и моторных белков, которые перемещаются одновременно и, таким образом, сканируют большую площадь за короткое время. «Используя этот принцип, мы можем измерять локальные световые поля на большой площади с разрешением менее пяти нанометров, используя установку, напоминающую классический оптический микроскоп», — объясняет физик. Для сравнения: один нанометр равен одной миллионной миллиметра.
Тест на тонком слое золотаФизики опробовали свой метод на тонком слое золота с узкими щелями шириной менее 250 нанометров.
Эти слоты были подсвечены снизу синим лазерным лучом. «Свет, проходящий через эти узкие промежутки, ограничен шириной промежутка, что делает его идеальным для демонстрации оптической микроскопии высокого разрешения», — говорит Гросс.Во время измерения «рой микротрубочек» одновременно скользит в разных направлениях по поверхности золотого слоя. С помощью камеры можно точно определить положение каждой переносимой квантовой точки через определенные промежутки времени.
Если теперь квантовая точка движется через оптическое ближнее поле щели, она загорается сильнее и, следовательно, действует как оптический датчик. Поскольку диаметр квантовой точки составляет всего несколько нанометров, распределение света внутри щели может быть определено очень точно, что позволяет обойти дифракционный предел.
В десять раз выше точностьЕще одна приятная особенность этого нового подхода заключается в том, что благодаря своей длине и прочности микротрубочка движется чрезвычайно прямо и предсказуемо по поверхности образца с моторным покрытием. «Это позволяет определять положение квантовых точек в десять раз точнее, чем с помощью ранее установленных методов микроскопии высокого разрешения», — поясняет д-р мед. Йенс Эриг, бывший научный сотрудник группы Diez и нынешний руководитель отделения «Молекулярная визуализация и манипуляции» в Центре молекулярной и клеточной биоинженерии (CMCB) Технического университета Дрездена.
Кроме того, можно исключить помехи, вызванные артефактами из-за связи в ближней зоне. Поскольку транспортная система состоит всего из нескольких молекул, ее влияние на ближние оптические поля незначительно.Исследователи надеются использовать свою идею для создания новой технологии в области поверхностной микроскопии.
В любом случае они убеждены, что: «Этот тип микроскопии может продемонстрировать свои сильные стороны, особенно при оптическом контроле наноструктурированных поверхностей». На следующем этапе они хотят использовать эту молекулярную транспортную систему для соединения квантовых точек со специально подготовленными оптическими резонаторами ближнего поля для изучения их взаимодействия.