Před více než stoletím 26letý Albert Einstein vysvětlil Brownianův pohyb v jednom ze čtyř článků, které publikoval ve svém rok úžasnýZázračný rok, nazýván, protože ho tyto dokumenty zastřelily. Brownův pohyb je náhodné chvění malých částic v tekutině, způsobené tím, že se neustále srazí s molekulami kolem nich.
Nyní vědci z Kalifornského institutu technologií (Caltech) vyvinuli průlomovou zobrazovací techniku, která umožňuje natáčení těchto molekulárních pohybů v reálném čase. Jejich zjištění byly publikovány v Přírodní komunikace.
‚Surreal Experience‘
Konvenční mikroskopy jsou invazivní a mají omezené zorné pole. Jiné mikroskopy stále nemohou rozlišit jednotlivé molekuly, které jsou ve velikosti kolem desítek angstromů (1 angstrom = 0,0000000001 m). Pro srovnání, jeden lidský vlasy je asi milion angstrom tlustý.
Tým Caltech nyní našel způsob, jak nepřímo detekovat molekuly pozorováním jejich interakcí se světlem. Jejich technika také spojuje do Brownovského pohybu částic.
Pomocí zařízení uvedli, že mohou vidět až desítky angstromů. „Byl to neskutečný zážitek vizualizovat molekulární velikosti v reálném čase v Angstromově měřítku,“ řekl Yogeshwar Nath Mishra, který společně vedl studii, když v Caltech’s Jet Propulsion Laboratory a který je nyní docentem v IIT-Jodhpur.
„Ještě pozoruhodnější bylo poznání, že žádná existující technika nemůže dosáhnout této úrovně detailů.“
Potřeba rychlosti
Čím masivnější je částice, tím pomalejší je Brownian Motion. „(Je to) je jako sledovat, kolik točící se objekt se zvrátí poté, co byl vybrán světlem. Malé molekuly se točí rychle a vyšplhaly světlo více. Velké molekuly se točí pomalu a udržují ho zarovnané,“ řekl Lihong Wang, ředitel Caltech Optical Imaging Laboratory a které dohlížely na studii.
Takže měřením, jak rychle molekula mění vlastnosti světla, mohli určit jeho velikost.
Egyptsko-americký chemik Ahmed Zewail z Caltechu byl první, kdo měřil pohyb částic ve velmi krátkých časových stupnicích. Tato práce umožnila jeho týmu pozorovat chemické reakce, protože se poprvé staly. Byl mu udělen Nobelova cena za chemii v roce 1999.
„Zatímco tradiční techniky se často spoléhají na časově náročné skenování bodů, náš přístup zachycuje scénu jediným výstřelem,“ řekl Wang. „Rovněž jsme dosáhli zobrazovacích rychlostí stovek miliard rámů za sekundu, což umožnilo pozorovat molekulární interakce v bezprecedentním zpomaleném pohybu.“
Zařízení je tedy nejrychlejším jednorázovým mikroskopem na světě.
„Konečně, na rozdíl od (tradičních metod), které vyžadují rozsáhlou přípravu vzorku a často poškozují vzorek, naše metoda je neintruzivní a umožňuje přímé, přímé, na místě Měření, “dodal Wang.
„Mezi nejzajímavější funkce tohoto mikroskopu patří jeho zobrazovací schopnost širokého pole, která nabízí obrazovou oblast několika centimetrů čtverečních, řádově větší než konvenční mikroskopy,“ na Mishra. „Podle našich nejlepších znalostí je naše práce vůbec první, kdo dosáhl činu jednorázového 2D molekulárního velikosti.“
Hraní skládačky
Testovali svůj mikroskop pomocí molekuly zvané fluorescein-dextran. Fluorescein je barvivo s barvením potravin. Fluorescein-dextran se používá ke sledování průtoku krve, dodávání léčiva a značení tkání a buněk. Tyto fluorescenční molekuly přicházejí ve formě prášků. Vědci je smíchali s vodou a použili čisté pipety k nalití kapek těchto vzorků do kyvet (čiré, krátké, obdélníkové zkumavky pro přidržování vzorků kapaliny).
Prášek Floresceinu spadl do roztoku takové vody září jasně zelené pod typickým blacklight po přibližně 15 sekundách. | Foto kredit: Bricksnite (CC by)
Pak se otočili k Ultrashort pulzům z laseru. Tyto lasery nejsou na rozdíl od těch, které se používají v operacích LASIK a katarakty. Laserové listy plátky skrz vzorek v kyvetě. Vzorek emituje světlo, které padá na řadu malých čtvercových zrcadel, které tvoří digitální mikromirror zařízení (DMD).
Úkolem DMD je utvářet světelný paprsek. Vědci používají softwarový kód k naklonění každého jednotlivého zrcadla v tomto zločinu v závislosti na odpovídajícím pixelu ve vstupním obrázku.
„Představte si, že se snažíte vyřešit skládačku, ale místo toho, abyste měli všechny kousky, máte jen několik z nich – a překvapivě můžete stále přijít na to, jak vypadá celý obrázek,“ řekl Wang.
Tato myšlenka je podložena techniku týmu, která může rekonstruovat celý obraz z velmi málo měření za předpokladu, že se struktura opakuje. DMD převádí přechodnou scénu na náhodný vzor skládačky, ze kterého mohou vědci extrahovat informace o úplném obrazu.
Světlo nakonec prochází pruhovou trubicí, která převádí fotony ve světle na elektrony. Fosforová obrazovka shromažďuje tyto elektrony, když přes něj zametá a vytváří vzor pruhů. Vzorec pruhu odhaluje dobu trvání pulsu, ze kterého mohou vědci odvodit velikosti molekul.
Soubor molekul
„Je to zajímavá práce. Klíčem v této práci je použití proužkové kamery k detekci dynamiky v nanosekundách. To je v rámci skutečné životnosti molekul a nebylo by možné s pomalými detektory nebo fotodetektory,“ řekl Basudev Roy, docent v IIT Madras, který pracuje na super-rezolučním mikroskopii a nebyl zapojen do nedávných studií.
Velikost molekul měřená pomocí jejich techniky souhlasila s předchozími odhady. „Stále vidí soubor molekul uvnitř detekční oblasti – stále ještě nevidí jednu molekulu. Dynamika však naznačuje chemické složení a také chemické reakce,“ řekl Roy.
„Překvapivě jsme zjistili, že tato technika funguje také ve fázích plynu. … Zpočátku jsme předpokládali, že by bylo náročné aplikovat (IT) v turbulentním prostředí, jako je například v plameni,“ řekl studie Co-vedoucí Peng Wang z Caltech.
Tým pozoroval nanočástice černého uhlíku v plamenech mikroskopem. „Naše data v plynné fázi se ukázala, že fungují skvěle a velikost molekuly se shoduje … experimentální pozorování dobře,“ řekl Peng.
Tato nová zobrazovací technika by mohla pomoci lépe vizualizovat procesy a transformovat biomedicínský výzkum, detekci nemocí, návrh léčiva a výrobu nanomateriálu.
Unnati Ashar je novinář na volné noze.
Publikováno – 28. července 2025 05:30
