Small:单个蛋白分子的近场太赫兹超分辨纳米成像检测

太赫兹(Terahertz,THz;1 THz = 1 × 1012 Hz)波是指频率在0.1-10 THz的电磁波,其光子能量较低(~ 4 meV@1 THz)且与蛋白质、核酸、糖类等生物大分子的结构和构象变化及氢键作用所需能量等有很大交叠,使得太赫兹技术在生物大分子检测方面具有无损、无标记、指纹识别等优点。生物大分子(如蛋白质)的结构及特性与生命过程密切相关,单个生物大分子的太赫兹探测有望精确揭示其物理化学、结构以及生物分子间相互作用等重要信息,因而对深入认识和理解生物大分子的作用与功能具有重要意义。然而,由于生物大分子的尺寸(纳米级)与太赫兹波长(亚毫米级)严重失配,加之生物大分子对太赫兹波的响应较弱,致使单个生物大分子的太赫兹探测成为国际上长期未能突破的科学难题。

近日,中国科学院重庆绿色智能技术研究院(简称:重庆院)王化斌课题组、中国科学院上海高等研究院(简称:高研院)李江课题组及其合作团队在生物大分子太赫兹超分辨检测方面进行共同技术攻关,取得重大突破。首先,研究团队对云母、高阻硅、金、石墨烯四种基底的太赫兹近场光谱特性进行了检测与分析,并对金和石墨烯基底的表面平整度进行了原子力显微镜测试,最终选择了同时具有原子级平整度、稳定蛋白分子物理吸附能力以及超强太赫兹波反射性能的石墨烯基底。接着,通过电磁仿真理论计算和实际实验确定了具有最佳近场太赫兹信号增强效果的铂纳米探针。最后,将上述技术与单分子样品制备技术相结合,实现了单个蛋白分子(免疫球蛋白和铁蛋白)的太赫兹超分辨光谱成像探测。研究者相信,此项研究将会为单分子水平上生物大分子以及生物大分子相互作用的太赫兹光谱成像探测研究提供了有效方法。相关论文以“Near-Field Nanoscopic Terahertz Imaging of Single Proteins”为题在线发表于Small,并被遴选为Front Cover文章。