(PhysOrg.com) -- I primi governatori plasmonici tridimensionali al mondo, in grado di misurare i cambiamenti spaziali su scala nanometrica nei sistemi macromolecolari, sono stati sviluppati da ricercatori con il Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti (DOE), in collaborazione con ricercatori dell'Università di Stoccarda, Germania. Questi righelli plasmonici 3D potrebbero fornire agli scienziati dettagli senza precedenti su eventi dinamici critici in biologia come l'interazione del DNA con gli enzimi, il ripiegamento delle proteine, il movimento dei peptidi o le vibrazioni delle membrane cellulari.

"Abbiamo dimostrato un righello plasmonico 3D, basato su oligomeri plasmonici accoppiati in combinazione con spettroscopia plasmonica ad alta risoluzione, che ci permette di recuperare
la completa configurazione spaziale di complessi processi macromolecolari e biologici, e per seguire l'evoluzione dinamica di questi processi, "dice Paolo Alivisatos, direttore del Berkeley Lab e leader di questa ricerca.

Alivisato, che è anche Larry and Diane Bock Professor of Nanotechnology presso l'Università della California (UC), Berkeley, è l'autore senior di un articolo sulla rivista Scienza descrivere questa ricerca. Il documento è intitolato "Righelli Plasmon Tridimensionali". Co-autore di questo documento sono stati Laura Na Liu, che all'epoca del lavoro era un membro del gruppo di ricerca di Alivisatos ma ora è con la Rice University, e Mario Hentschel, Thomas Weiss e Harald Giessen con l'Università di Stoccarda.

La scala nanometrica è il punto in cui convergono le scienze biologiche e dei materiali. Man mano che le macchine e i dispositivi umani si riducono alle dimensioni delle biomolecole, gli scienziati hanno bisogno di strumenti con cui misurare con precisione i minimi cambiamenti strutturali e le distanze. A tal fine, ricercatori hanno sviluppato righelli lineari basati sulle onde di superficie elettroniche note come "plasmoni, " che si generano quando la luce viaggia attraverso le dimensioni ristrette di nanoparticelle o strutture di metalli nobili, come oro o argento.

"Due nanoparticelle metalliche nobili in stretta vicinanza si accoppieranno l'una con l'altra attraverso le loro risonanze plasmoniche per generare uno spettro di diffusione della luce che dipende fortemente dalla distanza tra le due nanoparticelle, " Alivisatos dice. "Questo effetto di diffusione della luce è stato utilizzato per creare righelli plasmonici lineari che sono stati utilizzati per misurare le distanze su scala nanometrica nelle cellule biologiche".

Rispetto ad altri tipi di righelli molecolari, che si basano su coloranti chimici e trasferimento di energia per risonanza di fluorescenza (FRET), i governanti plasmonici non lampeggiano né candeggiano foto, e offrono anche una fotostabilità e una luminosità eccezionali. Però, fino ad ora i righelli plasmonici potevano essere usati solo per misurare le distanze lungo una dimensione, una limitazione che ostacola qualsiasi comprensione globale di tutti i processi biologici e di altri processi della materia soffice che avvengono in 3D.

"L'accoppiamento plasmonico in più nanoparticelle poste in prossimità l'una dell'altra porta alla diffusione della luce
spettri sensibili a un insieme completo di movimenti 3D, "dice Laura Na Liu, autore corrispondente del documento Science. "La chiave del nostro successo è che siamo stati in grado di creare caratteristiche spettrali nitide nel profilo di risonanza altrimenti ampio delle nanostrutture accoppiate a plasmoni utilizzando interazioni tra modalità quadrupolare e dipolare".

Liu spiega che le tipiche risonanze plasmoniche dipolari sono ampie a causa dello smorzamento radiativo. Di conseguenza, il semplice accoppiamento tra più particelle produce spettri indistinti che non vengono facilmente convertiti in distanze. Lei e i suoi coautori hanno superato questo problema con un righello 3D costruito con cinque nanobarre d'oro di lunghezza e orientamento controllati individualmente, in cui una nanobarra è posta perpendicolarmente tra due coppie di nanobarre parallele per formare una struttura che ricorda la lettera H.

"Il forte accoppiamento tra il singolo nanorod e le due coppie parallele di nanorod sopprime lo smorzamento radiativo e consente l'eccitazione di due risonanze quadrupolari acute che consentono la spettroscopia plasmonica ad alta risoluzione, " Liu dice. "Qualsiasi cambiamento conformazionale in questa struttura plasmonica 3D produrrà cambiamenti facilmente osservabili negli spettri ottici".

Non solo i cambiamenti conformazionali nei loro righelli plasmonici 3D hanno alterato le lunghezze d'onda di diffusione della luce, ma i gradi di libertà spaziale offerti dalla sua struttura a cinque nanorod hanno anche permesso a Liu e ai suoi colleghi di distinguere la direzione e l'entità dei cambiamenti strutturali.

"Come prova del concetto, abbiamo fabbricato una serie di campioni utilizzando litografia a fascio di elettroni ad alta precisione e nanotecniche di impilamento strato per strato, quindi incorporarli con i nostri righelli plasmonici 3D in un mezzo dielettrico su un substrato di vetro, " Liu dice. "I risultati sperimentali erano in eccellente accordo con gli spettri calcolati".

Alivisato, Liu e i loro collaboratori di Stoccarda immaginano un futuro in cui i governanti plasmonici 3D avrebbero, attraverso linker biochimici, essere attaccato a una macromolecola campione, Per esempio, in vari punti lungo un filamento di DNA o RNA, o in posizioni diverse su una proteina o un peptide. La macromolecola campione verrebbe quindi esposta alla luce e le risposte ottiche dei righelli plasmonici 3D verrebbero misurate tramite microspettroscopia in campo oscuro.

"La realizzazione di righelli plasmonici 3D utilizzando nanoparticelle e linker biochimici è impegnativa, ma sono già stati dimostrati assemblaggi di nanoparticelle 3D con simmetrie e configurazioni desiderate, " Dice Liu. "Riteniamo che questi entusiasmanti risultati sperimentali, insieme all'introduzione del nostro nuovo concetto, apriranno la strada verso la realizzazione di righelli plasmonici 3D nei sistemi biologici e in altri sistemi di materia soffice".