Interactiekrachtdetectie op nanoschaal tussen Ln-NC en Au-oppervlak. Credit: Natuur Fotonica (2024). DOI: 10.1038/s41566-024-01462-7
Nieuw onderzoek heeft een nieuwe manier onthuld om ongelooflijk kleine krachten op nanoschaal in water te meten, waardoor de grenzen worden verlegd van wat wetenschappers weten over de microscopische wereld.
De aanzienlijke vooruitgang op het gebied van de nanotechnologie werd bereikt door onderzoekers van de Beihang Universiteit in China, samen met de RMIT Universiteit en andere instellingen, waaronder de Australian National University en de University of Technology Sydney.
Het artikel, “Sub-femtonewton force sensing in solution by super-resolved photonic force microscopy”, was gepubliceerd in Natuur Fotonica.
De nieuwe techniek, waarbij gebruik wordt gemaakt van een super-resolved photonic force microscope (SRPFM), is in staat krachten in water te detecteren die zo klein zijn als 108,2 attonewton – een schaal die zo klein is dat deze te vergelijken is met het meten van het gewicht van een virus.
Hoofdonderzoeker van de Beihang Universiteit, professor Fan Wang, zei dat de sleutel tot deze ultragevoelige meting ligt in het gebruik van met lanthanide gedoteerde nanodeeltjes, opgevangen door een optisch pincet, die vervolgens worden gebruikt om de minieme krachten te onderzoeken die in biologische systemen spelen.
“Het begrijpen van deze kleine krachten is cruciaal voor de studie van biomechanische processen, die fundamenteel zijn voor de werking van levende cellen”, zei hij.
“Tot nu toe was het meten van zulke kleine krachten met hoge precisie in een vloeibare omgeving een grote uitdaging vanwege factoren als de verwarming van de sonde en problemen met zwakke signalen.”
Thermisch begrensde krachtdetectie op nanoschaal door een SRPFM. Credit: Natuur Fotonica (2024). DOI: 10.1038/s41566-024-01462-7
De door Wang en zijn team ontwikkelde SRPFM-techniek pakt deze uitdagingen aan door gebruik te maken van geavanceerde nanotechnologie en computationele technieken.
Door gebruik te maken van door neurale netwerken ondersteunde lokalisatie met superresolutie kan het team nauwkeurig meten hoe de nanodeeltjes worden verplaatst door kleine krachten in een vloeibaar medium.
Co-eerste auteur van de studie van de RMIT Universiteit, Dr. Lei Ding, zei dat deze innovatie niet alleen de resolutie en gevoeligheid van krachtmetingen verbetert, maar ook de energie minimaliseert die nodig is om de nanodeeltjes op te vangen, waardoor de potentiële schade aan biologische monsters wordt verminderd.
“Onze methode kan krachten detecteren tot 1,8 femtonewton per vierkantswortel van de bandbreedte, wat dichtbij de theoretische limiet ligt die wordt opgelegd door thermische ruis,” zei Ding.
De implicaties van dit onderzoek zijn enorm, voegde Dr. Xuchen Shan, co-eerste auteur van de Beihang Universiteit, eraan toe. “Door een nieuw hulpmiddel te bieden om biologische gebeurtenissen op moleculair niveau te meten, zou deze techniek een revolutie teweeg kunnen brengen in ons begrip van een groot aantal biologische en fysische verschijnselen,” zei Shan.
Dit omvat alles, van de manier waarop eiwitten in menselijke cellen functioneren tot nieuwe methoden om ziekten in een vroeg stadium op te sporen.
De studie onderzocht ook de toepassing van deze technologie bij het meten van elektroforesekrachten die inwerken op afzonderlijke nanodeeltjes en de interactiekrachten tussen DNA-moleculen en interfaces, cruciaal voor de ontwikkeling van geavanceerde biomedische technieken.
De bevindingen van het team maken niet alleen de weg vrij voor nieuwe wetenschappelijke ontdekkingen, maar hebben ook potentiële toepassingen bij de ontwikkeling van nieuwe nanotechnologische hulpmiddelen en het verbeteren van de gevoeligheid van biomedische diagnostiek.
Meer informatie:
Xuchen Shan et al, Sub-femtonewton-krachtdetectie in oplossing door superopgeloste fotonische krachtmicroscopie, Natuur Fotonica (2024). DOI: 10.1038/s41566-024-01462-7
Tijdschriftinformatie:
Natuur Fotonica
Geleverd door RMIT Universiteit
