微球透鏡實現平價單分子光譜技術
- 上線日期：2010/3/12 上午 12:00:00
- 資料來源：奈米科學網
單分子光譜(Single-Molecule Spectroscopy)是門新興的技術，特別適合用來研究奈米領域，其基本觀念非常簡單：就是一次只觀測一個生物分子或奈米粒子，因此可以輕易觀測到很多分子尺度的動態過程，蛋白質分子摺疊(folding)即為一例。為了達到單分子光譜的靈敏度，關鍵之一就是要利用高數值孔徑(numerical aperture, NA)的物鏡來聚焦及收光，然而高NA的物鏡價格相對昂貴，而且還會衍生一些實驗量測上的問題。
在光學顯微鏡中，物鏡是接收來自樣品訊號的第一個光學元件，其收光能力通常以NA表示，而NA的大小取決於物鏡與樣品間環境的折射率(如空氣或油)，以及可收光的圓錐角。為提高收光率，研究人員在常使用高NA(=1.4)的油鏡(相較於空氣折射率較高)做單分子光譜實驗，然而物鏡上的油會將樣品上的熱傳導至物鏡，導致物鏡的焦距改變，而油本身的折射率也會隨溫度變化，因此無法做長時間觀察，此外還有觀察視野較小及工作距離(working distance)較短的問題。
為了克服上述困擾，史丹佛大學生醫工程系的Stephen Quake等人發展出一種平價的單分子光譜技術，他們將具有高折射率的二氧化鈦(TiO2)微米球放在單螢光分子及物鏡中間，讓TiO2微米球們扮演微透鏡(microlens)的角色，將螢光分子所發出的光聚焦至物鏡。這種結合微透鏡及平價低NA(=0.5)物鏡的作法，可偵測單分子訊號而不會有熱效應的問題，因此能做長期觀測。他們利用這項技術成功地在70°C的高溫下，觀察到單一酵素的活動過程。
根據模擬，二氧化鈦微透鏡與低NA物鏡的組合在收光效率上會比傳統高NA透鏡還要好，但Quake的實驗結果卻未如預期般理想，他們認為這是因為二氧化鈦微粒的存在會使單分子螢光減弱，並縮短螢光的生命期(fluorescence lifetime)，因此減少分子處於激發態的時間，進而增加螢光分子的光穩定性(photostability)，如此反而有利於單分子光譜從事長時間的觀測。詳見Nature Nanotechnology 5, 127-132 (2010)。
原始網站: http://www.nature.com/naturenanotechnology
譯者:院繼祖(中央研究院應用科學研究中心)
責任編輯:蔡雅芝
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