使用光流控天线跟踪生物分子的动态
为了在分子水平上更好地理解生命科学的基本过程，对单分子动力学的精确观察至关重要。然而，当前基于水溶液中荧光测量的技术无法以足够的时间分辨率追踪分子结构的变化。
马克斯·普朗克光科学研究所(MPL)的物理学家现已成功进一步开发了一种量子光学中已知的光子结构——平面光学天线——用于水介质中监测动态过程。这使得能够以最高的时间分辨率观察单个生物分子的构象变化。
为了实现这一分辨率，所谓的“光流控天线”以大约85%的效率收集单个荧光分子发射的光子。凭借如此高的效率，研究人员能够实现微秒范围内的时间分辨率。该设备可以轻松集成到许多现有的显微镜设置中，并且正在添加另一种工具，在实验室中提供高时间分辨率。
以单分子分辨率研究液体环境中生物分子复杂的内部动力学对于生命科学具有很大的意义。
荧光测量目前是破译快速和慢速动态过程的基石技术。在这里，生物分子的特殊部分用荧光染料分子标记。当受到激光激发时，通过测量发射的光子来检测它们相对于彼此的位置的变化。然而，收集方法限制了每个时间间隔可以记录的荧光光子的数量，从而限制了时间分辨率。
在《自然通讯》上发表的这项工作中，StephanGötzinger教授和VahidSandoghdar教授领导的团队展示了一种全新的、高效的测量方法，该方法基于固态量子光学已知的结构。
大约十年前，物理学家提出了平面光学天线的概念，与传统光学天线相比，平面天线无需金属纳米结构即可实现。通过巧妙的修改，新型光流控天线能够以极高的效率(85%)收集溶液中单个生物分子发射的光子。
该天线由玻璃基板和一层数百纳米厚的水组成，其中含有待检查的生物分子。薄薄的水层是由位于基板上方几百纳米处的微量移液器产生的。通过施加规定的压力，可以控制移液器中水弯月面的形状。
水层的轴向边界迫使分子扩散通过激光焦点的中心，从而增加了所谓的亮度。天线将分子的荧光信号增加了大约五倍。同时，水-空气界面减慢了分子的扩散，而天线的几何形状则增加了分子返回焦点的可能性。
MPL科学家与杜塞尔多夫大学ClausSeidel教授团队一起，通过检查特定排列的DNA(DNA四向连接)的一致性变化，展示了光流控天线的性能。
连接处的两条腿标有福斯特共振能量转移(FRET)对，其中两个FRET伙伴发射的光子数量随着两条腿之间的距离而变化。利用FRET轨迹，研究人员能够证明可疑的构象状态不会发生，并为其寿命提供了上限。新天线可以跟踪DNA四向交叉的动态，时间分辨率仅为几微秒。
“我们的光流控天线工作得非常好，因为空间有限的通道中较慢扩散的分子提高了光子收集效率，”StephanGötzinger教授说。
“该天线是用于生命科学研究的强大设备。它不仅易于使用，而且还可以轻松集成到许多现有的显微镜设置中，”VahidSandoghdar教授补充道。
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