Прорыв в измерении наноразмерных сил открывает новые горизонты в биологии

Новое исследование представило метод измерения невероятно малых сил на наноуровне в воде, расширяя границы познания микроскопического мира.

Это значительное достижение в нанотехнологиях было сделано исследователями из Университета Бэйхан (Китай) совместно с RMIT University и другими институтами, включая Австралийский национальный университет и Технологический университет Сиднея.

Статья "Sub-femtonewton force sensing in solution by super-resolved photonic force microscopy" опубликована в журнале Nature Photonics.

Новая методика, использующая микроскоп фотонных сил со сверхразрешением (SRPFM), способна детектировать в воде силы величиной всего 108.2 аттоньютона — масштаб, сопоставимый с измерением веса вируса.

Ведущий исследователь из Университета Бэйхан, профессор Фань Ван, объяснил, что ключом к сверхчувствительным измерениям стало использование наночастиц, легированных лантаноидами, которые удерживаются оптическими пинцетами и служат зондами для измерения крошечных сил в биологических системах.

"Понимание этих малых сил критически важно для изучения биомеханических процессов, лежащих в основе функционирования живых клеток", — сказал он.

"До сих пор измерение столь малых сил с высокой точностью в жидкой среде было серьёзной проблемой из-за таких факторов, как нагрев зонда и слабость сигнала".

Методика SRPFM, разработанная Ваном и его командой, решает эти проблемы с помощью передовых нанотехнологий и вычислительных методов.

Используя метод сверхразрешающей локализации на основе нейронных сетей, команда смогла точно измерить смещение наночастиц под действием крошечных сил в жидкой среде.

Соавтор исследования из RMIT University, доктор Лэй Дин, отметил, что этот подход не только повышает разрешение и чувствительность измерений силы, но и минимизирует энергию, необходимую для удержания наночастиц, снижая потенциальное повреждение биологических образцов.

"Наш метод может детектировать силы вплоть до 1.8 фемтоньютона на квадратный корень из полосы пропускания, что близко к теоретическому пределу, накладываемому тепловым шумом", — сказал Дин.

Последствия этого исследования обширны, добавил соавтор из Университета Бэйхан, доктор Сюйчэнь Шань. "Предоставляя новый инструмент для измерения биологических событий на молекулярном уровне, эта методика может революционизировать наше понимание целого ряда биологических и физических явлений", — сказал Шань.

Это включает в себя всё: от принципов работы белков в человеческих клетках до новых методов раннего обнаружения заболеваний.

Исследование также изучило применение этой технологии для измерения сил электрофореза, действующих на отдельные наночастицы, и сил взаимодействия между молекулами ДНК и поверхностями, что критически важно для разработки передовых методов биомедицинской инженерии.

Результаты работы команды не только прокладывают путь к новым научным открытиям, но и имеют потенциал для применения в разработке новых нанотехнологических инструментов и повышении чувствительности биомедицинской диагностики.