Cái ‘thước plasmon’ 3D đầu tiên vừa được các nhà nghiên cứu ở Mĩ, Đức, và Pháp công bố. Cho đến nay, những dụng cụ đo cỡ nano như vậy bị hạn chế với việc đo khoảng cách chỉ theo một chiều, nghĩa là không thể dùng chúng để theo dõi những quá trình ba chiều trong vật chất sống hoặc vật chất mềm. Bộ cảm biến mới trên có thể tỏ ra hữu ích trong việc theo dõi những biến đổi cấu trúc trong những mẫu sinh vật, thí dụ như sự gấp nếp protein và các tương tác ADN.
Hình minh họa cách thức thước plasmon 3D đo ADN. (Ảnh: AAAS/Science)
Các kim loại có thể hấp thụ ánh sáng bằng cách tạo ra những plasmon, đó là những kích thích tập thể giống như hạt của các electron dẫn tại bề mặt kim loại. Một cái thước plasmon 1D khai thác thực tế là sự cộng hưởng plasmon của hai hạt nano kim loại kết hợp với nhau khi chúng ở gần nhau. Phổ của ánh sáng đi cùng với những plasmon đó bị dịch chuyển nhiều về phía đầu xanh hoặc đầu đỏ tùy thuộc vào các hạt nano ở gần nhau hay xa nhau bao nhiêu.
Thí dụ, trong những nghiên cứu trước đây, hai hạt nano vàng được nối với nhau qua một chuỗi ADN. Sau đó, khi thêm vào một chuỗi xoắn kép ADN bổ sung, các nhà nghiên cứu quan sát thấy một sự lệch xanh đáng kể trong quang phổ ánh sáng của các cộng hưởng plasmon. Vì chuỗi xoắn kép ADN bền hơn nhiều so với một chuỗi riêng lẻ, nên các hạt nano bị đẩy ra xa nhau – nghĩa là, khoảng cách giữa chúng trở nên lớn hơn. Bằng cách liên tục theo dõi quang phổ của các hạt vàng, người ta có thể ghi lại được cơ chế động lực học của sự “lai giống” ADN.
Những chồng que nano vàng
Laura Na Liu tại Phòng thí nghiệm quốc gia Lawrence Berkeley (Mĩ) cùng các đồng nghiệp tại trường Đại học Stuttgart và Đại học Blaise Pascal ở Aubière đã mở rộng khái niệm này để nó hoạt động được trong khuôn khổ 3D. Trong cái thước plasmon mới của họ, các nhà nghiên cứu sử dụng một chồng gồm năm que nano vàng sắp thành hình chữ “H” với que chính giữa đóng vai trò là nét ngang của chữ H (xem hình). Hai cặp que kia được chọn sao cho chúng tác dụng như cái ‘anten’ tứ cực đối với sóng ánh sáng nhìn thấy. Khi gắn các phân tử sinh học với cấu trúc trên, que chính giữa hay anten tứ cực chuyển động tương đối so với nhau, nên kết quả là có thể đo được sự dịch chuyển các cộng hưởng plasmon của hệ, giống hệt như một cái thước 1D. Các nhà nghiên cứu đã chế tạo cấu trúc của họ bằng kĩ thuật in khắc chùm electron chính xác cao và kĩ thuật nano xếp chồng từng lớp một.
“So với đối tác 1D của nó, cái thước của chúng tôi mang lại thêm những mức độ tự do – thí dụ như quay, xoắn và nghiêng – để phát hiện ra hành trạng động lực học của các thực thể sinh học”, Liu phát biểu.
Thế hệ mới thước plasmon
Theo các nhà nghiên cứu, khái niệm trên có thể áp dụng cho những vi tinh thể kim loại độc thân nối với nhau bởi oligonucleotide hoặc peptide. Điều này có thể dẫn tới một thế hệ mới của thước plasmon có khả năng theo dõi những sự kiện xảy ra trong nhiều biến đổi phân tử vĩ mô đa dạng trong khuôn khổ 3D. Những biến đổi như vậy bao gồm ADN tương tác với enzyme hoặc protein, protein gấp nếp và cơ chế động lực học của chuyển động peptide, và dao động đàn hồi của các màng tế bào trong cơ thể sống, đó chỉ là mới kể một số mà thôi.
“Các hạt nano kim loại có kích cỡ khác nhau còn có thể gắn vào những vị trí khác nhau trên ADN hoặc protein và mỗi đơn vị kim loại như vậy có thể chuyển động đơn lẻ hoặc chuyển động tập thể trong không gian ba chiều”, Liu giải thích.
Đội nghiên cứu hi vọng chế tạo được thước plasmon 3D bằng các liên kết hóa sinh. Khái niệm trên còn có thể mở rộng cho những cấu trúc plasmon phức tạp hơn, theo lời Carsten Sönnichsen tại trường Đại học Johannes Gutenberg ở Mainz, Đức.
Nghiên cứu công bố trên tạp chí Science 332 1407.
Nguồn: physicsworld.com
