(PhysOrg.com) - Las primeras reglas de plasmón tridimensionales del mundo, capaz de medir cambios espaciales a escala nanométrica en sistemas macrmoleculares, han sido desarrollados por investigadores del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley (Berkeley Lab) del Departamento de Energía de EE. UU. (DOE), en colaboración con investigadores de la Universidad de Stuttgart, Alemania. Estas reglas de plasmón 3D podrían proporcionar a los científicos detalles sin precedentes sobre eventos dinámicos tan críticos en biología como la interacción del ADN con las enzimas, el plegamiento de proteínas, el movimiento de péptidos o las vibraciones de las membranas celulares.

"Hemos demostrado una regla de plasmón 3D, basado en oligómeros plasmónicos acoplados en combinación con espectroscopia de plasmón de alta resolución, que nos permite recuperar
la configuración espacial completa de complejos procesos macromoleculares y biológicos, y seguir la evolución dinámica de estos procesos, "dice Paul Alivisatos, director de Berkeley Lab y líder de esta investigación.

Alivisatos, quien también es el Profesor Larry y Diane Bock de Nanotecnología en la Universidad de California (UC), Berkeley, es el autor principal de un artículo en la revista Ciencias describiendo esta investigación. El artículo se titula "Reglas de plasma tridimensionales". Los coautores de este artículo fueron Laura Na Liu, quien en el momento en que se realizó el trabajo era miembro del grupo de investigación de Alivisatos pero ahora está en la Universidad de Rice, y Mario Hentschel, Thomas Weiss y Harald Giessen de la Universidad de Stuttgart.

La escala nanométrica es donde convergen las ciencias biológicas y de los materiales. A medida que las máquinas y los dispositivos humanos se reducen al tamaño de biomoléculas, los científicos necesitan herramientas con las que medir con precisión cambios y distancias estructurales diminutos. Para tal fin, Los investigadores han estado desarrollando reglas lineales basadas en ondas superficiales electrónicas conocidas como "plasmones, "que se generan cuando la luz viaja a través de las dimensiones confinadas de nanopartículas o estructuras de metales nobles, como el oro o la plata.

"Dos nanopartículas metálicas nobles muy próximas se acoplarán entre sí a través de sus resonancias de plasmón para generar un espectro de dispersión de luz que depende en gran medida de la distancia entre las dos nanopartículas, "Dice Alivisatos." Este efecto de dispersión de luz se ha utilizado para crear reglas de plasmones lineales que se han utilizado para medir distancias a nanoescala en células biológicas ".

En comparación con otros tipos de reglas moleculares, que se basan en tintes químicos y transferencia de energía por resonancia de fluorescencia (FRET), los gobernantes de plasmón ni parpadean ni fotoblanquean, y también ofrecen una fotoestabilidad y un brillo excepcionales. Sin embargo, hasta ahora, las reglas de plasmón solo podían usarse para medir distancias a lo largo de una dimensión, una limitación que dificulta cualquier comprensión integral de todos los procesos biológicos y otros procesos de materia blanda que tienen lugar en 3D.

"El acoplamiento plasmónico en múltiples nanopartículas colocadas cerca unas de otras conduce a la dispersión de la luz.
espectros que son sensibles a un conjunto completo de movimientos 3D, "dice Laura Na Liu, autor correspondiente del artículo de Science. "La clave de nuestro éxito es que pudimos crear características espectrales nítidas en el perfil de resonancia, por lo demás amplio, de nanoestructuras acopladas a plasmones mediante el uso de interacciones entre los modos cuadrupolar y dipolar".

Liu explica que las resonancias típicas de plasmón dipolar son amplias debido a la amortiguación radiativa. Como resultado, el simple acoplamiento entre múltiples partículas produce espectros indistintos que no se convierten fácilmente en distancias. Ella y sus coautores superaron este problema con una regla 3D construida a partir de cinco nanobarras de oro de longitud y orientación controladas individualmente. en el que una nanovarilla se coloca perpendicular entre dos pares de nanovarillas de varillas paralelas para formar una estructura que se asemeja a la letra H.

"El fuerte acoplamiento entre la nanovarilla única y los dos pares de nanovarillas paralelas suprime la amortiguación radiativa y permite la excitación de dos resonancias cuadrupolares agudas que permiten la espectroscopia de plasmones de alta resolución, "Dice Liu." Cualquier cambio conformacional en esta estructura plasmónica 3D producirá cambios fácilmente observables en los espectros ópticos ".

Los cambios conformacionales en sus reglas de plasmón 3D no solo alteraron las longitudes de onda de dispersión de la luz, pero los grados de libertad espacial que proporcionaba su estructura de cinco nanobarras también permitieron a Liu y sus colegas distinguir la dirección y la magnitud de los cambios estructurales.

"Como prueba de concepto, fabricamos una serie de muestras utilizando litografía por haz de electrones de alta precisión y nanotecnologías de apilamiento capa por capa, luego los incrustó con nuestras reglas de plasmón 3D en un medio dieléctrico sobre un sustrato de vidrio, "Dice Liu." Los resultados experimentales estuvieron en excelente acuerdo con los espectros calculados ".

Alivisatos, Liu y sus colaboradores de Stuttgart imaginan un futuro en el que los gobernantes de plasmón 3D, a través de enlazadores bioquímicos, estar unido a una macromolécula de muestra, por ejemplo, a varios puntos a lo largo de una hebra de ADN o ARN, o en diferentes posiciones de una proteína o péptido. La macromolécula de muestra se expondría a la luz y las respuestas ópticas de las reglas de plasmón 3D se medirían mediante microspectroscopia de campo oscuro.

"La realización de reglas de plasmón 3D utilizando nanopartículas y enlazadores bioquímicos es un desafío, pero ya se han demostrado conjuntos de nanopartículas 3D con simetrías y configuraciones deseadas, "Dice Liu." Creemos que estos emocionantes logros experimentales junto con la introducción de nuestro nuevo concepto allanarán el camino hacia la realización de reglas de plasmones 3D en sistemas biológicos y otros sistemas de materia blanda ".