第一作者：Weixiang Ye、Markus Götz

通讯作者：Carsten Sönnichsen、Thorsten Hugel

通讯单位：美因茨大学（德国）、弗莱堡大学（德国）

2018年诺贝尔物理奖得主Arthur Ashkin教授发明的光镊（Optical Tweezer）技术引起了物理学研究的大爆发，让科学家们得以精确地量单分子的动力学过程。这项技术结合2017 年诺贝尔化学奖冷冻电镜 (Cryo-EM) 技术，让科学家可以通过结合生物分子的结构信息及其动力学过程对其的生物学功能进行更准确的分析，然而光镊需要对研究的分子施加拉力，使其难以长期测量单分子的动力学过程。

有鉴于此，来自德国美因茨大学的叶巍翔博士、其导师Carsten Sönnichsen教授以及弗莱堡大学的Markus Götz博士、Thorsten Hugel教授等人发明了新的纳米尺技术-表面等离子共振纳米尺（plasmon ruler）。

图1 表面等离子共振纳米尺示意图

这项技术可以让科学家以视频速度（50赫兹）来在线记录超过24小时的单分子的动力学过程。叶巍翔博士将两个金纳米天线与正在研究的单分子结合起来，并在激光束和全自动暗场显微镜的帮助下观测金纳米天线的距离变化从而观测单分子的动力学过程。

如图所示，黑色背景上的星空是在暗场显微镜观测的纳米尺真实图像，黄色的点是靠的比较近的两个纳米天线，绿色的点是离的比较远的纳米天线。左上角的是纳米天线距离变化时的光谱变化，右上角是热休克蛋白Hsp90链接在纳米天线上的示意图。图片下方的方波图是热休克蛋白Hsp90结构变化时纳米天线的颜色变化。

这种金纳米天线在暗场显微镜下看起来就像黑夜中的星星一样，它们的散射光的波长或者说颜色取决于它们之间的距离耦合。把单个分子连在两个纳米天线之间，单分子的结构变化会带动纳米天线的距离变化，从而导致其色的变化。

这个新的纳米尺不需要施加外力即可观察单分子的结构变化，纳米天线的散射光也不会产生漂光效应，它类似天空中小微粒的瑞利散射。这个纳米尺的稳定性使得科学家可以长期地察单分子的结构变化，它将先前可实现的其他单分子测量技术的范围扩展了几个数量级（如光镊的测量时间和距离），并且可以解决全新的问题，例如可以测试单个分子是否具有记忆性，或者具有相同化学结构的蛋白质是否在长时间内的动力学表现相同。

十多年前，叶巍翔博士的导师Carsten Sönnichsen教授及其好友Thorsten Hugel教授在伯克利大学进行博士后研究时，受光镊技术启发，有了新的技术构想，充分奠定了表面等离子共振纳米尺技术的基础。而后，Carsten Sönnichsen教授和Thorsten Hugel教授两个团队通力协作，该技术的发明可喻为两个团队研究成果的完美结晶。

叶巍翔博士为该项目开发设计了全新的测量仪器-全自动暗场显微镜。这个仪器使得这个研究成为可能，例如，将24小时采集的超过80 TB的数据用稀疏矩阵及算法在线减少到4 GB，这样使得这台仪器可以在普通计算机上进行正常工作。Thorsten Hugel教授实验组的Markus Götz为这项技术合成目标分子-热休克蛋白Hsp90，这是一个对人体极为重要的分子，它帮助着人体内的许多蛋白进行正常工作，如果Hsp90不正常工作，人可能会患上癌症，所以研究Hsp90的动力学过程极为重要。

总之，这项技术有望取代诺奖成果光镊成为下一代的分子尺。目前最大的阻碍是仪器太过昂贵，因此叶巍翔博士正在进行新的仪器研究来减少仪器的建设成本，让这项技术能真正的推广开来。

参考文献：

Ye W, Götz M et al. Conformationaldynamics of a single protein monitored for 24 hours at video rate[J]. Nano Letters, 2018.
DOI:10.1021/acs.nanolett.8b03342

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.8b03342?ref=highlight