Новый микроскоп выявляет молекулярное толкание быстрее, чем когда -либо прежде.

Более века назад 26-летний Альберт Эйнштейн объяснил Браунское движение в одной из четырех статей, которые он опубликовал в своем год чудесныйЧудесный год позвонил, потому что эти документы застрелили его, чтобы славы. Браунское движение – это случайное дрожание мелких частиц в жидкости, вызванное тем, что они постоянно сталкиваются с молекулами вокруг них.

Теперь ученые из Калифорнийского технологического института (Caltech) разработали методику прорывной визуализации, которая обеспечивает съемку этих молекулярных движений в реальном времени. Их выводы были опубликованы в Природная связьПолем

‘Сюрреалистический опыт’

Обычные микроскопы являются инвазивными и имеют ограниченные области зрения. Другие микроскопы по -прежнему не могут различать отдельные молекулы, которые размером около десятков ангстром (1 Angstrom = 0,0000000001 м). Для сравнения, один человеческий волосы составляют около миллиона ангстрем толщиной.

Команда Caltech теперь нашла способ косвенно обнаружить молекулы, наблюдая за их взаимодействиями со светом. Их техника также затрагивает коричневое движение частиц.

Используя устройство, они сообщили, что они могут видеть до десятков ангстрем. «Это был сюрреалистический опыт-визуализировать молекулярные размеры в режиме реального времени в масштабе Angstrom»,-сказал Йогешвар Нат Мишра, который руководил исследованием в лаборатории реактивного движения Caltech и который сейчас является доцентом в IIT-Jodhpur.

«Еще более примечательным было осознание того, что ни одна существующая техника не может достичь такого уровня детализации».

Нужна для скорости

Чем более массивная частица, тем медленнее его коричнеанское движение. «[It] это все равно, что наблюдать, насколько вращающийся объект поворачивается после того, как его подталкивают светом. Маленькие молекулы быстро вращаются и больше карабкаются светом. Большие молекулы вращаются медленно и поддерживают его », – сказал Лихонг Ван, директор лаборатории оптической визуализации Caltech и кто контролировал исследование.

Таким образом, измеряя, как быстро молекула меняет свойства света, они могут определить его размер.

Египтянско-американский химик Ахмед Зивейл из Caltech был первым, кто измерял движение частиц в сверхпрочных временных масштабах. Эта работа позволила его команде наблюдать химические реакции, как они произошли впервые. Он был награжден Нобелевская премия за химию в 1999 годуПолем

«В то время как традиционные методы часто полагаются на трудоемкое сканирование, наш подход отражает сцену одним выстрелом»,-сказал Ван. «Мы также достигли скорости визуализации сотен миллиардов кадров в секунду, что позволило наблюдать за молекулярными взаимодействиями в беспрецедентных замедленных движениях».

Таким образом, устройство является самым быстрым в мире микроскопом.

«Наконец, в отличие от [traditional methods] которые требуют обширной подготовки выборки и часто повреждают образец, наш метод неинтрозивна, обеспечивает прямую, на площадке Измерения », добавил Ван.

«Некоторые из наиболее захватывающих особенностей этого микроскопа включают в себя возможность визуализации широкого поля, предлагая область изображения в несколько квадратных сантиметров, на порядок больше, чем обычные микроскопы»,-согласно Мишре. «Насколько нам известно, наша работа-это первая в истории, которая достигнет подвига одноразового 2D-молекулярного размера».

Играя в Jigsaw

Они протестировали свой микроскоп с помощью молекулы, называемой флуоресцеин-декстраном. Fluorescein – это пищевой краситель. Fluorescein-Dextran используется для мониторинга кровотока, доставки лекарств и маркировки ткани и клеток. Эти флуоресцентные молекулы поставляются в форме порошков. Ученые смешали их с водой и использовали чистые пипетки, чтобы залить капли этих образцов в кюветы (чистые, короткие прямоугольные трубки для удержания образцов жидкости).

Затем они повернулись к ультрашортным импульсам от лазера. Эти лазеры не отличаются от тех, которые используются в операциях LASIK и Cataract. Лазерный лист просачивается через образец в кювете. Как это происходит, образец излучает свет, который падает на массив небольших квадратных зеркал, составляющих цифровое микромиррорное устройство (DMD).

Работа DMD состоит в том, чтобы сформировать световой луч. Исследователи используют программный код, чтобы наклонить каждое отдельное зеркало в этом светоображении в зависимости от соответствующего пикселя во входном изображении.

«Представьте, что вы пытаетесь решить головоломку, но вместо того, чтобы иметь все кусочки, у вас есть только несколько из них – и, что удивительно, вы все равно можете выяснить, как выглядит полная картина», – сказал Ван.

Эта идея лежит в основе техники команды, которая может реконструировать полную картину из очень немногих измерений, при условии, что структура повторяется. DMD преобразует переходную сцену в случайную паттерн зажимания, из которой исследователи могут извлечь информацию о полной картине.

Свет, наконец, проходит через полосовую трубку, которая преобразует фотоны в свете в электроны. Экран фосфора собирает эти электроны, когда они простираются по нему и создают шаблон полос. Схема полосы показывает продолжительность пульса, из которой ученые могут вывести размеры молекул.

Ансамбль молекул

«Это интересная работа. Ключом в этой работе является использование камеры Streak для обнаружения динамики в наносекундах. Это в течение фактических сроков жизни молекул и не будет возможным с медленными детекторами или фотосессиями»,-Басудев Рой, доцент в IIT Madras, который работает над микроскопией сверхрезолирования и не был вовлечен в недавнее исследование.

Размер молекул, измеренные с использованием их техники, согласился с предыдущими оценками. «Он по -прежнему видит ансамбль молекул внутри области обнаружения – он все еще не видит ни одной молекулы. Но динамика указывает на химические композиции, а также химические реакции», – сказал Рой.

«Удивительно, но мы обнаружили, что техника также работает на газовых фазах… Первоначально мы предположили, что было бы сложно применить [it] В турбулентных средах, таких как пламя »,-сказал исследование, ведущий в соавтор Пенг Ван из Caltech.

Команда наблюдала черные углеродные наночастицы в огне через микроскоп. «Наши данные в газовой фазе оказались превосходно, и размер молекулы совпадает с… экспериментальным наблюдением», – сказал Пенг.

Этот новый метод визуализации может помочь лучше визуализировать процессы и преобразовать биомедицинские исследования, обнаружение заболеваний, дизайн лекарств и изготовление наноматериалов, среди прочего.

Уннати Ашар – независимый научный журналист.

Опубликовано – 28 июля 2025 г. 05:30 утра