ナノ粒子は液体中の微小な力を明らかにする

July, 4, 2024, 北京--中国とオーストラリアの科学者は、光学的にトラップされたナノ粒子を使用して、水中の微小な力を高い空間分解能で測定する方法を示した(Nat. Photonics, doi: 10.1038/s41566-024-01462-7)。チームによると、光学乱視とニューラルネットワークのパタン発見能力に依存する新しいスキームが、タンパク質の機能に光を当て、病気の診断を改善する可能性がある。

微小な力の測定
多くの生物学的現象は、非常に小さな力を伴う。DNA分子の張力も、染色体内の遺伝物質を組織化するのに必要な労力も、10^-12未満ニュートン。研究者たちは、このような力を測定するための多くの技術をすでに開発しているが、すべてに弱点がある。例えば、小さな片持ちアームを使用する顕微鏡は、このようなレベルでは感度が高くなるが、力の分布を3次元でマッピングするのは困難である。

特に有望な技術の1つがフォトニックフォース顕微鏡。これは、光ピンセットを使用して小さな誘電体粒子を所定の位置に保持し、粒子から散乱した光を収集することを含む。散乱光と非散乱光の干渉により、粒子の3次元位置と、それに伴い粒子に作用する力が明らかになる。

液体中の力の定量化は、液体の分子による粒子のバフェッティングを考慮する必要があり、粒子の変動位置の分布中心のシフトを測定することに依存している。このような測定のサンプリングレートは、自己相関時間(粒子が捕捉電位を感じるのにかかる時間)によって制限されるため、このプロセスでは力検出に熱的制限が課せられる。

今日まで、このナノスケールの熱限界は範囲外にとどまっている。溶液中の力測定で報告される最高の感度は、帯域幅の平方根あたり10フェムトニュートン(fN)(10 fN Hz–1/2;1 fN = 10-15N)は、直径500nmの粒子で達成される。

より小さな粒子を使用すると、液体で発生する抗力を減らすことができ、原理的には測定感度が向上するが、それにはいくつかの大きなハードルがある。1つは、生成される低散乱信号。もう一つは、捕集効率が低く、不要な熱が発生するため、捕集力を高める必要があることで、よく使用される金ナノ粒子は、生体試料に損傷を与える約40℃の温度上昇を伴う。

3次元で測定
今回の研究で、中国のBeihang UniversityのFan Wangらは、ランタノイドをドープしたナノ粒子の形をしたプローブを用いて、これらの問題を克服する方法を明らかにした。これらの粒子は、イオン共鳴と呼ばれる現象によって捕捉され、わずか約10mWの電力しか使用せず、わずか0.7℃の温度上昇を引き起こす。 ランタノイドをドープしたナノ粒子は蛍光性であるため、自身の発光を検出することで追跡することができ、散乱が不十分であるという問題を回避できる。

このアプローチがもたらす主な課題は、3次元すべてで力測定を実行できること。2次元(xとy)で高感度を実現するのは非常に簡単である。これには、粒子の放出の一連のスナップショットを記録し、粒子の位置分布の中心が時間の経過とともに変化するかどうかを調べることが含まれる。とは言え、3次元(z)で変位を測定するには、より創造性が必要である。

研究チームの解決策は、シリンドリカルレンズを使用して、発光粒子の点像分布関数に光学乱視を発生させ、検出の広がりを変換して、通常の円盤形状を楕円に引き伸ばすことだった。このアイデアは、トラッピング面の上下で異なる高さの画像を記録し、レンズによって与えられる様々な伸縮度によって各画像スライスのz値を識別し、z値と楕円形状の相関関係を確立することだった。

ニューラルネットワークが窮地を救う
しかし、解決すべきさらなる複雑さ、つまりブラウン運動によるこのキャリブレーションプロセス中の相関の歪みがあった。チームの解は、ニューラルネットワークを使用し、様々な高さからの拡散関数の例を多数示してネットワークをトレーニングし、未知のzの画像を正しく識別できるようになるまでネットワークの重みを調整することだった。

このようにして、Wangとチームは、z位置の誤差を一貫して30nm未満に抑えることができることを示した(x軸とy軸に沿った誤差はわずか5nm)。次に、ランタノイドをドープしたナノ粒子の表面に正味の電荷があるという事実により、力の測定に着手した。直径58nmのナノ粒子の周囲に電極を配置して外力にさらすと、粒子がナノスケールの熱限界(1.8fN Hz–1/2)で、約0.1fNという低い力を検出する。

また、研究チームは、ランタノイドをドープしたナノ結晶が表面に近づくにつれて、金が表面に近づいたり遠ざかったりする際の結晶の平均的な位置を比較することで、金の表面が近くにあるために閉じ込められたランタノイドをドープしたナノ結晶にかかる力を計算できることも示した。さらに、金をDNAでコーティングすることで表面力を軽減できることもわかり、この実験装置を生体分子の相互作用の研究に利用できる可能性が示唆されました。

Wangとチームの主張によると、この研究は「ナノスケールの熱的限界力センシングの道を開き、長距離にわたるサブフェムトニュートン力と1分子レベルでの生体力学的力を検出する新たな機会を提供する」。

研究チームによると、より小さなナノ粒子を使うことで感度をさらに向上させることができるが、そのためには、それらの粒子を既存の粒子よりも明るくする必要がある。また、生物学的センシングには、ナノ粒子を特定の生体分子に結合させる必要があり、それにはより効率的な表面改質が必要になることも指摘されている。